La présente demande est une division de la demande canadienne no. 403,031 deposée le 1~ mai 1982.
La presente invention est relative a la fabri-ca-tion de fibres continues a partir de matières thermo-plastiques, telles que des verres, obtenues par etiragemecanique de la matière fondue s'ecoulant d'une plura-lite d'orifices disposes a la base d'une filiere. L'in-vention concerne plus particulièrement la fabrication de fils de verre composes d'une pluralite de filaments pre-sentant des sections differentes.
Les filaments generalement obtenus par e-tirage mecanique de filets de verre issus d'une pluralite d'orifices identiques présentent normalement une section transversale circulaire sensiblement uniforme en raison de la tension superficielle elevée du verre fondu. De ce fait, lorsque ces filaments sont rassemblés pour former un fil, de nombreux vides séparent les filaments les uns des autres et réduisent sensiblement le degre de compacite dudit ~il.
L'utilisation d'un tel fil comme agent de ren-forcement de matieres synthetiques organiques, thermo-plastiques ou thermodurcissables ne permet pas d'incor-porer dans ces matières autant de verre qu'il serait souhaitable pour améliorer leurs propriétés mecaniques.
Cette limitation peut être surmontee en assemblant des filaments de sections differentes ou des filaments de section transversale identi~ue mais non circulaire.
La fabrication de filaments presentant des sections transversales non circulaires est notamment decrite dans l'article de R.A. HUMPHREY, intituleO
"Forming glass filaments with unusual cross sections"
(7eme Congres International du Verre - BRux~rlT~ls 1965).
D'après cet article, des filaments à section rectangulaire ou hexagonale par exemple peuvent être obtenus en employant un processus de fabrication simi-~: .' ': ,' .
3~
laire à celui des fibres optiques.
Le matériau de depart est une baguette, oupréforme, qui présente la section transversale recher-chee, et dont on ramollit localement l'extremité infe-rieure afin d'en étirer un filament suffisamment fin quiconserve à échelle réduite la section initiale.
Ce procédé nécessite la fabricatio~ préalable de la preforme et un contrôle très precis des tempéra-tures de formage. Son caractere discontinu et ar-tisanal ne permet pas d'envisager une exploitation industrielle a grande échelle.
Un autre procédé est evoqué dans la descrlp-tion des brevets américains 2 758 951 et 2 90~ ~56 rela-t.ifs a la fabrication d'un matériau composite.
Le dispositif de mise en oeuvre du procede decrit dans ces brevets comprend une filiere munie à sa partie inférieure de deux séries d'orifices circulaires de perc~age différent, alternant régulièrement sur une seule rangée longitudinale. A partir desdits orifices on étire une pluralité de filaments de contour circu-laire présentant des sections differentes, l'etirage étant réalisé de maniere à former une nappe de filaments parallèles, où chaque filament de fort diamètre est entoure de plusieurs filaments de plus ~aible diamètre.
La nappe est enroulee sur un tambour sur lequel on forme jusqu'à plusieurs centaines de couches successives. A
part une indication approximative sur le diamètre des orifices, aucune précision n'est donnee quant aux condi-tions de marche d'une telle filière.
Le brevet francais publie sous le numero 1 341 710 decrit un procede pour obtenir des filaments de section droite non circulaire a partir d'une filiere a tetons classiques.
Ce procede consiste à etablir un contact entre la surface du verre dès sa sortie de l'orifice et une ~6~
surface refroidie. Sous l'effet du refroidissement, la viscosité du verre augmente localement et fige la défor-mation du verre ainsi provoquée. On peut obtenir de la sorte une grande variété de filaments à section droite non circulaire.
Indépendamment des difficultes que soulève la marche d'une telle installation, il est ~ien evident que le nombre de filaments delivres par filière est tres faible, etant donne que chaque teton doit etre equipe d'un dispositif de deformation dont l'encombrement est loin d'être nul au plan industriel. Une telle solution ne présente qu'un interêt limite.
La presente invention permet d'obtenir un fil continu compose d'un nombre élevé de filaments presen-tant des sections droites differentes.
La presente invention a not~mment pour butd'obtenir, à partir d'un dispositif de fibrage donne, un fil compose d'un melange de filaments de sections diffe-rentes en proportion constante et definie, choisi de manière a augmenter le degre de compacite dudit fil.
Ces buts sont atteints par l'emploi d'une nou-velle forme de filière dans une installa-tion de fibrage qui comprend essentiellement une source d'alimentation en matière thermoplastique, telle que du verre, reliee ~ une filiere chauffee par effet Joule, un dispositif de souf1age de gaz dirige vers le fond de la filiere et des moyens d'étirage, le fond de ladite filière présen tant une face inferieure qui comporte une multiplicite de centres de fibrage C de structures differentes, chaque centre de fibrage etant forme par une 20ne perfo-rée d'un groupe d'orifices a partir desquels on peut étirer de maniere stable au moins un filament.
Par centres de fibrage de structures differen-tes, on entend des zones perforees de groupes d'orifices qui se distinguent entre elles notamment par la nature de l'alliage metallique dont elles sont constituées et/ou par le nombre d'orifices et/ou par la section des orifices et/ou par la distance séparant les orifices.
Le procédé de fabrica~ion consiste, a partir d'une filiere présentant des centres de fibrage de structures différentes, a régler le chauffage de la filiere et/ou a refroidir le fond de ladite filiere de maniere a porter le verre a une température telle qu'il se forme simultanément un filament par orifice sur un certain nombre de centres de fibrage déterminés et un filament par groupe d'oriEices sur les autres centres de fibrage.
L'invention est exposée en détail ci-apres en se référant aux figures jointes au présent mémoire, et selon lesquelles:
La figure l est une vue de face dont certaines parties sont arrachées et qui représente schématiquement une installation de fibrage equipée d'une filiere selon l'invention.
La figure 2 est une vue en plan a échelle agrandie d'une partie de la face inférieure d'un premier e~emple de fond de filiere selon l'invention.
La figure 3, qui illustre un deuxième exemple de filiere selon l'invention, est une vue en perspective d'une partie du fond de la filiere avec bossages délimi-tant des alvéoles.
La figure 4 est une coupe verticale des bossa-ges représentes figure 3.
La figure 5 est une coupe horizontale selon le plan A-A des bossages représentes figure 4.
Les figures 6 et 7 sont des vues en plan d'autres types de bossages.
On se référera tout d'abord a la figure l, représentant a titre d'exemple la configuration générale d'un dispositif de fibrage équipé d'une filiere selon l'invention.
La filiere 10, generalement constituée d'un alliage platine 90%, rhodium 10~, est munle de bornes 11 pour l'arrivée du courant électri~ue utilisé pour son chauffage par effet Joule. Elle contient du verre ~ondu qui s'écoule par des orifices regroupés en une plurallté
de centres de fibrage C, disposés sur la face inférieure d'une plaque plane 12, qui constitue le fond de la filière. La filière communique avec une source d'ali-mentation en verre de type connu qui peut être soitl'avant-corps d'un four à fusion directe à partlr duquel le verre s'écoule dans la filiere directement a l'état fondu, soit un système d'alimentation ~men~nt le verre sous forme de billes, ces dernières étant alors refon-dues dans la flliere. Quelle que soit la source d'ali-mentation utilisée, l'écoulement du verre fondu à
travers les orifices est assuré essentiellement par la pression hydrostatique de la masse en fusion se trouvant au-dessus de la plaque. Le verre est étiré en filaments élémentaires 13, de façon classique, par l'intermédiaire d'une broche tournante 14. Après dépôt dlensimage au moyen d'un organe ensimeur schematise en 15, les fila-ments sont rassembles en un ou plusieurs fils 16 par les organes habituellement employes dans cette technique, tels que ].es peignes 17 et 18; le fil est ensuite bobine autour de la broche tournante 14, le long de laquelle il se deplace sous l'influence d'un organe de repartition ou hélice 19.
Une rampe de soufflage 20, munie par exemple d'une série d'ouvertures 21, est installée à proximite et au-dessous du plan de fibrage, les ouvertures 21 etant dirigees vers le fond de la filiere. Lesdites ouvertures peuvent être constltuees de buses ou de trous très rapprochés, disposés parallelement a l'axe longi-tudinal de la filiere. Elle est raccordee par les conduits 22 a une source de gaz non representée.
Elle peut être montee fixe, rotative ou oscil-lante. Dans ce dernier cas, illustre a la figure 1, l'une des extrémités de la rampe 20 est reliee a un moteur par l'intermediaire d'un bras 24 muni d'un galet 25 applique sur la portee d'une came 26 fixée sur l'axe du moteur. D'autres modes de soufflage peuvent être envisages.
Suivant la structure et la disposition des différents centres de fibrage répartis sur le fond de la filiere, le flux gazeux dirigé vers la face inf rieure de la plaque 12 est utilisé uniquement au m~ment du démarrage de l'opération de fibrage ou pendant tou-te la durée de cette dernière~
La structure même des differents centres de fibrage C et leur agencement sur 1a plaque 12 permet de definir le nombre de filaments etires par filiere et la repartition des filaments suivant leur section.
~insi une filiere selon l'invention comprend au moins deux series de centres de fibrage, tels qu'il soit possible d'etirer simultanement un seul filament a partir de certains centres de fibrage et une pluralite de filaments a partir d'autres centres de fibrage.
Les differences de structure peuvent porter slmplement sur la distance d'entr'a~e des orifices et/ou sur le nombre d'orifices et/ou sur la section des ori-~ices.
~ insi la plaque 12 peut être une plaque plane perforée d'une pluralite de groupes d'orifices, chaque groupe formant un centre de fibrage, comme le montre à
titre d'exemple la figure 2. Les centres de fibra~e C
et C2 représentes comprennent tous quatre orifices cir-culaires de meme diametre disposés aux sommets d'un carre. Ils se distinguent uniquement par les distances a et b separant les centres de deux orifices adjacents.
Les centres Cl et C2, répartis en quinconce, forment des xangées séparées par une distance t, deux centres suc-cessifs dans une même rangée étant séparés par une dis-tance 1. Les centres Cl et C2 peuvent se distinguer par le nombre d'orifices et/ou par la section de ces derniers.
Les différences de structure peuvent également porter sur la position relative des orifices par rapport à la plaque.
Ainsi la plaque 1~ peut etre munie d'une série de bossages faisan-t saillie au-dessous de ladite plaque, et dont les parois cernent au moins un alvéole interne, à la base desquels sont disposés les différents centres de fibrage.
Les figures 3 a 7 illustrent quelques exemples de bossages de forme différente.
La forme des bossages est de préférence géo-métriquement simple, par exemple prismatique comme les bossages Bl et ~2 qui presentent quatre faces laterales planes (figures 3 à 5), ou cylindrique (figure 6 et 7).
La ou les parois laterales sont de preference verticales et la face inferieure externe desdits bossa-ges, à la base de chaque alveole, est, de preference, sensiblement plane.
~5 Les bossages representes figure 6 se distin-guent uniquement par la distance séparant les orifices.
La figure 7 représente un autre exemple de centre de fibrage; il s'agit de la face inférieure d'un bossage cylindrique fermé par une croix 30 qui délimite quatre orifices 31 en forme de quadrants. Cette forme d'orifice permet d'obtenir des fibres à section non circulaire. Ce type de centre de fibrage associé a d'autres centres de fibrage, tels ceux représentés figure 6 par exemple, permet d'obtenir un mélange en proportion constante et définie de fllaments de section circulaire et non circulaire.
Les figures 3 a 7 representent des bossages pourvus d'un seul alveole interne. Les filieres selon l'invention peuvent être également munies de bossages presentant une section rectangulaire tres allongëe. Ces bossages en forme de barre peuvent comporter plusieurs alveoles independants les uns des autres. La base de chaque alveole sera munie d'un centre de fibrage dont les orifices sont disposés de préférence régulierement par rapport à un axe vertical. Ceci est egalement recommandé pour les bossages ne comprenant qulun seul alvéole car, lors~u'on étire un seul filament par centre de fibrage, cette disposition des orifices permet notam-ment d'obtenir un écoulement plus régulier alimentant le bulbe dudit filament. Des rainures de faible profondeur peuvent être creusées sur la face inférieure externe de ce genre de bossage afin de separer deux centres de fibrage adjacents.
Les différences de structure des centres de fibrage peuvent egalement porter sur la nature de la matière constituant la face inferieure externe de chaque zone perforee, le choix de ce-tte matiere etant déterminé
par son degré de mouillabilite vis-à~vis du verre Eondu.
Une filière selon l'invention pourra donc comprendre differents centres de fibrage dont les faces inferieures externes seront differemment mouillees selon la nature de la matière constituant lesdites faces.
~ insi les filieres selon l'invention compren-nent au moins deu~ categories de zones perforees, les unes caracterisees par un angle de contact avec le verre fondu à 1150C pour les unes superieur à 60 et pour les autres inférieur à 50.
Le changement de matiere peut concerner soit la totalite du centre de fibrager soit la seule face inférieure externe de la zone perforee.
9 _ Dans le cas des filières a bossages on peut ainsi utiliser deux alliages differents pour réaliser en totalite ou en partie deux series de bossages. A titre d'exemple une filiere de ce type est munie de deux series de bossages de forme cylindrique, les uns entie-rement constitues d'un alliage a 90% de platine et 10%
de rhodium, les autres d'un alliage de 93% de platine, 3% d'iridium et 4% d'or. Cet alliage est commercialise par la Société CO~PTOIR-LYON-~LEMAND-LOUYOT sous la référence PR 3/4. L'angle de contact du verre E sur une plaque de l'alliage ternaire précite est de 75 alors que, dans les mêmes conditions, il n'est que de 39 sur une plaque de platine rhodie a 10%.
La différenciation des centres de fibrage peut egalement etre obtenue par le dépôt d'un produit sur la face externe de certaines zones perforées. Ce produit peut être déposé par tout moyen adapte sur lesdites zones, que celles-ci soient disposées sur une filiere a fond plat ou une filiere a bossages.
A titre d'exemple une filiere selon l'inven-tion est munie de deux séries de bossages~ les uns pré-sentant une face inférieure externe recouverte d'un dépôt de nitrure de bore qui joue le même rôle que l'al-liage ternaire précédent, les autres étant en platine rhodié.
Les bossages sont disposes à intervalles régu-liers sur le fond de la filière ainsi que l'illustrent les figures 3, 5 et 6.
Par exemple des bossages de forme prismatique à Ull seul alv~ole, tels que Bl et B2 sont disposés par groupes formant chacun une rangée perpendiculaire à
l'axe longitudinal de la filière. Des bossages cylin~
driques, sont avantageusement disposes en quinconce et regroupes en rangées doubles comme le montre la figure 6. L'écartement g entre deux groupes consécutifs est tel qu'il permet l'insertion d'un organe de refroidisse-ment, par exemple des ailettes de type classique~
Le fonctionnement des filieres selon l'inven-tion est exposé ci-apres, en distinguant les filiares à
fond plat des filières à bossages.
Pour les filières à fond plat comprenant par exemple deux catégories de centres de fibrage Cl et C2, le démarrage est le suivant:
Le verre chaud slécoule par l'ensemble des orifices et enverre progressivement la quasi-totalité de la face inférieure de la plaque de fibrage.
Grâce a l'action du flux gazeux dirige en per-manence contre le fond de la filière, l'opérateur ecarte la masse de verre formee sur ledit fond et provoque la division de l'enverrage en une multiplicite de petits enverrages dont chacun est circonscrit à une zone perfo-ree correspondant à un centre de fibrage.
A l'issue de cette première phase l'opérateur étire à faible vitesse un filament par centre de fibra-ge. Puis sous l'action du flux gazeux la températuredes bulbes de verre diminue et atteint une température ~l' au-dessous de laquelle seuls les filaments étlrés a partir des centres de fibrage Cl se subdivisent en autant de filaments qu'il existe d'orifices dans ces centres de ~ibrage. Les filaments étirés à partir des centres de fibrage C2 ne sont pas affectés par cette operation. La temperature des bulbes des differents filaments ainsi etires est stabilisee à une temperature de fibrate T inferieure à la temperature Gl mais supe-rieure à une temperature ~2 au-dessous de laquelle il se produirait à partir des centres C2 une subdivision des filaments etires aboutissant à l'etirage d'un filament par orifice pour la totalite des centres de fibrage. La temperature T est stabilisee de préference à une valeur proche de 1/2 (~1 + ~2) Pour toute filière destinee a la fabrication de fibres de verre continues par étirage mecanique, la temperature des bulbes varie legerement d'un point a un autre de la filière et/ou dans le temps. Pour tenir compte de ces fluctuations autour d'une valeur mo~enne et obtenir une marche stable des fili~res selon l'inven-tion, il est souhaitable que l'ecart de temperature ~a = ~ 2 soit au moins egal à 30C.
Cette valeur est obtenue grâce au choix appro-prie des caracteristiques dimensionnelles des differentscentres de fibrage.
Pour les filières a bossages selon l'invention comprenant par exemple deux series de centres de fi-brage C'l et C'2, le fonctionnement est le suivant:
~u demarrage le verre fondu alimentant la filière passe dans les alveoles, s'ecoule par les diffe-rents orifices perfores a la face inferieure externe des bossages et enverre rapidement ladite face. L'ecoule-ment provoque la formation d'une ou plusieurs masses globuleuses par bossage, qui descendent progressivement sous l'action de leur propre poids, en entraînant dans leurs sillages un filament de verre. Cette phase peut etre acceleree par une intervention manuelle~ On reunit l'ensemble des filaments ainsi formes et l'on procede a leur etirage mecanique a faib]e vitesse. On envoie alors un courant gazeux, cle preference de l'air, en balayant le fond de la filière. Comme pour les filières à fond plat, la temperature des bulbes des filaments diminue sous l'action du courant gazeux. Elle atteint une temperature ~'1 au-dessous de laquelle les filaments etires à partir des centres de fibrage C'l se subdivi-sent en autant de filaments qu'il existe d'orifices dans ces centres de fibrage.
Comme pour les filieres precedentes la tempe-rature des bulbes des differents filaments ainsi etires est stabillsée à une température T' comprise entre lestempératures limites ~'1 et ~'2' cette derniere tempéra-ture correspondant à la limite au-dessous de laquelle il se produirait une subdivision des filaments etirés a partir des centres C'2.
Les filaments ainsi obtenus sont rassemblés en au moins un fil enroulé sur un support en rotation et on poursuit habituellement l'étirage desdits filaments en arrêtant le courant gazeux dès le début de l'enroulement du fil. Il est également possible, en réduisant le flux du courant gazeux, de continuer a balayer le fond de la filière pendant toute l'opération de fibrage.
Pour les memes raisons que celles exposées précédemment la température T' est stabilisée de préfé-rence à une valeur proche de 1/2 ('l + ~'2)~ et l'écartde température Q~' doit etre au moins égal à 30C.
Cet écart ~a I est obtenu par un choix appro-prié des caractéristiques dimensionnelles des bossages, notamment de leur hauteur h et de l'épaisseur p de leur paroi latérale, ainsi que de l'épaisseur f du fond du bossage.
Le refroidissement du verre, simplement obtenu par rayonnement et par convection entre les parois des bossages et les gaz ambiants circulant dans les inter-valles séparant lesdits bossages et entraînés par lesfilaments en cours d'étirage, permet d'homogénéiser la température du verre sortant des divers orifices. Ce refroidissement peut êkre éventuellemen-t renforcé et réglé par l'insertion d'organes refroidisseurs entre les rangées de bossages.
La répartition des orifices est commandée par les différentes distances séparant les centres de fi-brage et, pour chaque centre, par les distances séparant les orifices.
Que la filiere soit à fond plat ou a bossages 6~92 la distance bord a bord des orifices appartenant a un même centre de fibrage peut varier de 1 mm ~ O,2 mm et même moins, mais elle est de preference comprise entre 0,2 et 0,S mm.
Pour les distances separant deux centres de fibrage adjacents on distinguera les deux types de filières.
Pour les filieres a fond plat, ces distances, appelees t et 1 sur la figure 2, doivent être égales ou supérieures a 1,5 fois le diametre des orifices présen-tant la plus grande section sur la filiere en question.
Pour les filieres a bossages les distances entre centres de fibrage adjacen-ts sont déterminées par les distances séparant deux bossages adjacents.
Les bossages peuvent être disposés en rangées simples ou en rangées doubles, perpendiculairement a l'axe longitudinal du fond de la filière ainsi que l'il-lustrent les figures 5 et 6. Dans chaque rangée simple, les bossages sont separes par une distance k qui doit être au moins egale à 0,1 mm/ mais qui est de pr~ference comprise entre 0,4 et 1 mm. Lorsqu'on adopte une confi-guration en quinconce, les distances kl et k2 separant respectivement deux bossages adjacents appartenant à une même rangee et deux bossages adjacents appartenant a deux rangees differentes doivent etre aussi au moins egales à 0,1 mm mais sont de preference comprises entre 0,4 et 1 mm.
L'ecartement g existant entre deux rangees simples O~l doubles est tel qu'il permet d'inserer un élément du dispositif de refroidissement. Ainsi cet écartement peut varier de 2,5 à 5,5 mm et de preference de 3,5 à 4 ~m.
Un avantage particulier de l'emploi de bossa-ges ainsi disposes en rangees simples ou doubles est que le courant electrique circule essentiellement, dans la 6~9;Z
plaque du fond, entre les bossages plutot que dans leurs parois. Il en résulte notamment qua l'épaisseur de la paroi inférieure des bossages peut être choisie indépen-~mm~nt des caracteristiques electriques de la filiere consideree globalementO De ce fait, les ~ilieres selon l'invention présentent des caractéristiques électriques similaires à celles des filieres a fonds classiques a tétons, sans en présenter les inconvénients.
Certaines caractéristiques dimensionnelles importantes sont illustrées par la figure 4; il s'agit des épaisseurs e et f correspondant respectivement au fond de la filiere et à celui des bossages, de la hauteur h et de l'épaisseur p de la paroi latérale de ces derniers.
La détermination de ces caracteristiques est conditionnée essentiellement par les phénomenes d'éner-gie électrique dissipée par effet Joule, la résistance mécanique de la filiere, les phénomenes d'échange ther-mique, le débit de verre par orifice et le nombre d'ori-fices par unité de surface.
Ainsi, dans le souci de conférer une résis-tance mécanique suffisante au fond de la filiere tout en i.mmobilisant le moins de metal possible, l'épaisseur e varie de 0,5 a 3 mm et de préférence de 1 à 2 mm.
Cette épaisseur, déterminée indépendamment des caractéristiques dimensionnelles du bossage, peut varier d'une zone à une autre du fond et est choisie de maniere obtenir une distribution des courants électriques qui soit la plus homogène possible sur l'ensemble du fond de la filiere.
L'épaisseur f qui conditionne en partie le débit de verre peut varier indépendamment des autres caractéristiques dimensionnelles; en choisissant des épaisseurs tres faibles, on réduit au minimum les pertes de charge dans les orifices, ce qui permet d'obtenir des ~<
6~
debits eleves a partir d'orifices de faible diametre.
Cette epaisseur f peut varier de 0,2 a 2 mm et de préfé-rence de 0,4 à 1 mm, en fonction du diametre des ori-fices.
Le degré de refroidissement du verre dépend étroitement de la hauteur h et de l'epaisseur p de la paroi laterale des bossages.
L'epaisseur p peut être constante, lorsque le bossage est de forme cylindrique par exemple. Elle peut également varler dans un plan horizontal, lorsque le bossage, de forme exterieure parallelepipedique, corres-pond à un alveole interne presque cylindrique, ainsi que le représente la figure 5.
D'une facon generale, pour les filieres selon 15 l'invention, h varie de l a 10 mm et p de 0,2 ~ 2 mm et de preference de 0,4 a 1 mm.
L'interêt et les avantages du procede et du dispositif precedemment decrits ressortiront clairement des exemples suivants, qui illustrent quelques modes de réalisation particuliers de filières selon l'invention.
Le fond de la filiere est consti-tué d'une plaque plane en platine rhodié (90~ platine - 10%
rhodium) et comprend deux catégories de centres de Eibrage tels que ceux représentes sur la figure 2.
Les differentes caracteristiques dimensionnel-les de la fili~re sont les suivantes:
- épaisseur e = 1 mm - diametre des orifices = 1,60 mm - distances a = 1,80 mm b = 2,10 mm 1 = 3,65 mm t = 6,15 mm On obtient quatre filaments sur les centres Cl et un filament sur les centres C2 dans les conditions suivantes:
Lorsqu'on ~ibre en llabsence de courant gazeux on obtient une marche stable quand la température T du bulbe des filaments est comprise entre les températures limites 31 et 2 qui sont respectivement egales a 1230C
et 1190 C.
Lors~u'on maintient le courant gazeux pendant l'opération de fibrage on obtient une marche stable quand la température T est comprise entre ~1 = 1250 C et ~2 - 1210C.
Ainsi le fond de la filiere étant balaye en permanence par de l'air sous pression, on obtient simul-tanement 4 filaments de 15 ~m de diametre sur les cen-tres de type Cl et un filament de 30 ~m de diametre sur ~-5 les centres de type C2 en adoptant les conditions de fibrage suivantes:
température des bulbes de verre T = 1240C
vitesse d'étirage = 10 m.s 1 Le ~ond de la filiere est constitué d'une plaque plane en platine rhodié 90~ - 10~ et comprend deux catégories de centres de ~ibrage disposés a la base d'une série de bossages. Ces derniers sont identiques a ceux représentés sur les figures 3 a 5. Ils sont dispo-sés en rangée en alternant les bossages de type Bl et B2 .
Les différentes caractéristiques dimensionnel-les de la filière sont les suivantes:
~ épaisseurs - du fond de la filiere e = l,S mm - du fond du bossage f = 0,5 mm . distance entre deux bossages adjacents:
aans une meme rangée k = 1 mm - entre deux rangées g = 3,5 mm 6~92 . section des bossages = 4,6 x 4,6 mm . hauteur des bossages h = 4,5 m~
. diamètre des orifices = 1,6 mm . distance bord à bord entre deux orifices adjacents:
- bossage sl = 0,5 mm - bossage B2 = 0,2 mm En l'absence de soufflage on obtient simulta-nément quatre filaments sur les bossages Bl et un fila-ment sur les bossayes B2 lorsque la température T' des bulbes des filaments est comprise entre 9'1 = 1240C et ~'2 = 1200C.
Ainsi par exemple a 1220C au bulbe et pour une vitesse de 10 m. 5 1 on obtient simultanément des filaments de 20 et 40 ~m de diametre.
Les exemples précédents montrent ~ue les filieres selon l'invention permettent d'obtenir des fils composés d'un mélange de filaments de sections droites differentes en proportion constante et définie.
Cependant, il est bien évident que les filiè-res selon l'invention peuvent être utilisées à des températures de fibrage supérieures à ~1 (ou ~'1) ou inférieures à ~2 (ou ~'2) de manière à obtenir des fils composes de filaments présentant tous sensiblement la meme section droite. This application is a division of the Canadian application no. 403,031 filed May 1 ~ 1982.
The present invention relates to the manufacture ca-tion of continuous fibers from thermo materials plastics, such as glasses, obtained by mechanical stretching of the molten material flowing from a plurality of lite of orifices arranged at the base of a die. Linen-vention relates more particularly to the manufacture of glass yarns composed of a plurality of pre-feeling different sections.
Filaments generally obtained by e-printing mechanism of glass nets from a plurality identical orifices normally have a cross-section substantially uniform circular cross section due of the high surface tension of the molten glass. Of this fact when these filaments are brought together to form a thread, many voids separate the filaments each other and significantly reduce the degree of compactness of said ~ il.
The use of such a wire as a reinforcing agent forcing of organic synthetic materials, thermo-plastic or thermosetting does not allow pore as much glass in these materials as it would be desirable to improve their mechanical properties.
This limitation can be overcome by assembling filaments of different sections or filaments of cross section identi ~ ue but not circular.
The manufacture of filaments with non-circular cross sections is notably described in the article by RA HUMPHREY, entitledO
"Forming glass filaments with unusual cross sections"
(7th International Glass Congress - BRux ~ rlT ~ ls 1965).
According to this article, section filaments rectangular or hexagonal for example can be obtained using a simple manufacturing process ~:. '':,'.
3 ~
that of optical fibers.
The starting material is a rod, or preform, which has the desired cross section chee, and whose lower end is softened locally in order to stretch a sufficiently fine filament which retains the initial section on a reduced scale.
This process requires prior fabricatio preform and very precise temperature control forming tures. Its discontinuous and artisanal character does not allow to envisage an industrial exploitation in large scale.
Another process is mentioned in the descrlp-tion of the US patents 2,758,951 and 2,90 ~ ~ 56 rela-t.ifs in the manufacture of a composite material.
The device for implementing the method described in these patents includes a die provided with its lower part of two series of circular orifices of different age, alternating regularly on a single longitudinal row. From said orifices a plurality of filaments with a circular outline are stretched laire with different sections, drawing being made so as to form a sheet of filaments parallel, where each large diameter filament is surrounds with several more small diameter filaments.
The tablecloth is wound on a drum on which we form up to several hundred successive layers. AT
apart an approximate indication on the diameter of no details are given as to the conditions market of such a sector.
French patent published under number 1,341,710 describes a process for obtaining filaments of non-circular cross section from a die with classic nipples.
This process involves establishing contact between the surface of the glass as soon as it leaves the orifice and a ~ 6 ~
surface cooled. Under the effect of cooling, the viscosity of the glass increases locally and freezes the deformation glass mation thus caused. We can get so a wide variety of straight section filaments not circular.
Regardless of the difficulties raised by the market of such an installation, it is obvious that the number of filaments delivered by sector is very weak, since each teton must be equipped a deformation device whose size is far from zero industrially. Such a solution shows only limited interest.
The present invention provides a wire continuous composed of a high number of filaments present so many different cross sections.
The present invention not ~ mment aims to get from a fiberizing device gives a yarn composed of a mixture of filaments of different sections annuities in constant and defined proportion, chosen from so as to increase the degree of compactness of said wire.
These aims are achieved by the use of a new old form of die in a fiber-drawing installation which basically includes a power source of thermoplastic material, such as glass, connected ~ a die heated by the Joule effect, a device for gas blowing directed towards the bottom of the die and drawing means, the bottom of said die present both a lower face which has a multiplicity fiber centers C of different structures, each fiber center being formed by a 20 perfo-a group of orifices from which one can stably stretch at least one filament.
By fiber centers of different structures tes, we hear perforated zones of groups of orifices which are distinguished from each other in particular by nature of the metal alloy of which they are made and / or by the number of orifices and / or by the section of the orifices and / or by the distance separating the orifices.
The manufacturing process consists, starting a sector with fiber centers of different structures, to regulate the heating of the die and / or to cool the bottom of said die so as to bring the glass to a temperature such that it a filament is formed simultaneously through an orifice on a number of specified fiber centers and a filament by group of oriEices on the other centers of fiberizing.
The invention is described in detail below in with reference to the figures appended to this memorandum, and whereby:
Figure l is a front view, some of which parts are torn off and that schematically represents a fiberizing installation equipped with a die according to the invention.
Figure 2 is a scale plan view enlarged part of the underside of a first e ~ example of the bottom of the die according to the invention.
Figure 3, which illustrates a second example of die according to the invention, is a perspective view of a part of the bottom of the die with delimited bosses so many alveoli.
Figure 4 is a vertical section of the bossa-ges shown in figure 3.
Figure 5 is a horizontal section along the plane AA of the bosses shown in Figure 4.
Figures 6 and 7 are plan views other types of bosses.
We will first refer to Figure l, representing as an example the general configuration a fiberizing device equipped with a die according to the invention.
Pathway 10, generally consisting of a 90% platinum alloy, rhodium 10 ~, has terminals 11 for the arrival of the electric current used for its heating by Joule effect. It contains glass ~ wavy flowing through orifices grouped into a plurallté
fiber centers C, arranged on the underside a flat plate 12, which constitutes the bottom of the Faculty. The sector communicates with a source of ali-glass type of known type which can be either the front part of a direct melting furnace from which the glass flows directly into the die melted, or a supply system ~ men ~ nt the glass in the form of beads, the latter then being recast-due in the flliere. Whatever the source of ali-used, the flow of molten glass to through the orifices is provided mainly by the hydrostatic pressure of the molten mass found above the plate. Glass is stretched into filaments elementary 13, conventionally, through a rotating spindle 14. After depositing the image at by means of a sizing organ schematized at 15, the fila-are assembled into one or more wires 16 by the organs usually used in this technique, such as] .es combs 17 and 18; the wire is then spool around the rotating spindle 14, along which it moves under the influence of a distribution organ or propeller 19.
A supply ramp 20, for example provided a series of openings 21, is installed nearby and below the fiber drawing plane, the openings 21 being directed towards the bottom of the die. Said openings can be made up of nozzles or holes very close together, arranged parallel to the long axis tudinal of the sector. It is connected by conduits 22 to a gas source not shown.
It can be mounted fixed, rotary or oscil-lante. In the latter case, illustrated in FIG. 1, one end of the ramp 20 is connected to a motor through an arm 24 provided with a roller 25 applies to the bearing surface of a cam 26 fixed on the axis of the motor. Other blowing modes can be envisions.
Depending on the structure and layout of different fiber centers distributed on the bottom of the die, the gas flow directed towards the lower face of plate 12 is used only at the time of the starting the fiberizing operation or during all the duration of the latter ~
The very structure of the different fiberizing C and their arrangement on the plate 12 allows define the number of stretched filaments per die and the distribution of the filaments according to their section.
~ so a sector according to the invention comprises at least two series of fiber centers, such as it is possible to simultaneously stretch a single filament to from certain fiber centers and a plurality of filaments from other fiber centers.
Differences in structure may affect slmplement on the distance of entry of holes and / or on the number of orifices and / or on the orifice section ~ ices.
~ if plate 12 can be a flat plate perforated with a plurality of groups of orifices, each group forming a fiber center, as shown in as an example Figure 2. The centers of fibra ~ e C
and C2 represented all include four circular orifices eyepieces of the same diameter arranged at the tops of a square. They are distinguished only by the distances a and b separating the centers of two adjacent orifices.
The centers Cl and C2, distributed in staggered rows, form xangea separated by a distance t, two successive centers stops in the same row being separated by a dis-tance 1. The centers Cl and C2 can be distinguished by the number of orifices and / or by the section of these last.
Differences in structure may also relate to the relative position of the orifices relative to to the plate.
Thus the plate 1 ~ can be provided with a series protruding bosses below said plate, and whose walls surround at least one internal cell, at the base of which are placed the different centers fiberizing.
Figures 3 to 7 illustrate some examples of bosses of different shape.
The shape of the bosses is preferably geo-metrically simple, for example prismatic like bosses Bl and ~ 2 which have four lateral faces flat (Figures 3 to 5), or cylindrical (Figures 6 and 7).
The side wall (s) are preferably vertical and the lower external face of said bosses ges, at the base of each cell, is preferably substantially flat.
~ 5 The bosses represented in figure 6 are distinguished only by the distance between the holes.
Figure 7 shows another example of fiber center; this is the underside of a cylindrical boss closed by a cross 30 which delimits four orifices 31 in the form of quadrants. This shape orifice makes it possible to obtain fibers with a non-cross section circular. This type of fiber center associated with other fiber centers, such as those shown Figure 6 for example, allows to obtain a mixture in constant and defined proportion of section flames circular and non-circular.
Figures 3 to 7 show bosses provided with a single internal cell. The channels according to the invention can also be provided with bosses having a very elongated rectangular section. These bar-shaped bosses can have multiple alveoli independent of each other. The base of each cell will have a fiber center, the orifices are preferably arranged regularly with respect to a vertical axis. This is also recommended for bosses with only one alveolus because, when we stretch a single filament per center fiberizing, this arrangement of the orifices allows in particular ment to obtain a more regular flow feeding the bulb of said filament. Shallow grooves can be dug on the outer underside of this kind of boss in order to separate two centers of adjacent fiberizing.
The differences in the structure of the fiberizing can also relate to the nature of the material constituting the lower external face of each perforated area, the choice of this material being determined by its degree of wettability vis-à-vis the Eondu glass.
A sector according to the invention may therefore include different fiber centers including the lower faces depending on the nature of the material constituting said faces.
~ so the sectors according to the invention include-at least two categories of perforated areas, the some characterized by a contact angle with the glass melted at 1150C for some higher than 60 and for others less than 50.
The change of subject may concern either the entire center of the fiber patch is the only side lower outer part of the perforated area.
9 _ In the case of bosses, we can so use two different alloys to achieve all or part of two series of bosses. As example, a die of this type is provided with two series of cylindrical bosses, each fully Rely made of a 90% platinum and 10% alloy of rhodium, the others of an alloy of 93% of platinum, 3% iridium and 4% gold. This alloy is sold by the Company CO ~ PTOIR-LYON- ~ LEMAND-LOUYOT under the reference PR 3/4. The contact angle of the glass E on a plate of the aforementioned ternary alloy is 75 then that, under the same conditions, it is only 39 out of a 10% rhodium platinum plate.
Differentiation of fiber centers can also be obtained by depositing a product on the external face of certain perforated areas. This product may be deposited by any suitable means on the said zones, that these are arranged on a die flat bottom or a bossed die.
For example, a sector according to the invention tion is provided with two series of bosses ~ some pre-feeling an external underside covered with a deposit of boron nitride which plays the same role as al-previous ternary bond, the others being platinum rhodium-plated.
The bosses are arranged at regular intervals.
ties on the bottom of the die as illustrated Figures 3, 5 and 6.
For example prismatic bosses to Ull only alv ~ ole, such as Bl and B2 are arranged by groups each forming a row perpendicular to the longitudinal axis of the die. Cylin bosses ~
bricks, are advantageously arranged in staggered rows and grouped in double rows as shown in the figure 6. The spacing g between two consecutive groups is as it allows the insertion of a cooling member ment, for example conventional type fins ~
The functioning of the sectors according to the invention tion is set out below, distinguishing the filiares to flat bottom of the bosses.
For flat bottom dies including by example two categories of fiber centers C1 and C2, the start is as follows:
Hot glass drips through all of the orifices and gradually send almost all of the underside of the fiberizing plate.
Thanks to the action of the gas flow directed in per-manence against the bottom of the die, the operator dismisses the mass of glass formed on said bottom and causes the division of the coating into a multiplicity of small items each of which is circumscribed to a perfo-ree corresponding to a fiber center.
At the end of this first phase, the operator draws a filament at low speed per fiber center ge. Then under the action of the gas flow the temperature of the glass bulbs decreases and reaches a temperature ~ below which only the stranded filaments has from the Cl fiber centers are subdivided into as many filaments as there are orifices in these ~ book centers. Filaments drawn from C2 fiber centers are not affected by this surgery. The temperature of the bulbs of the different filaments thus stretched is stabilized at a temperature of fibrate T lower than the temperature Gl but higher higher than a temperature ~ 2 below which it would produce from the C2 centers a subdivision of stretched filaments leading to the drawing of a filament per orifice for all of the fiber centers. The temperature T is preferably stabilized at a value close to 1/2 (~ 1 + ~ 2) For any sector intended for manufacturing of continuous glass fibers by mechanical drawing, the bulb temperature varies slightly from point to point other in the sector and / or over time. To hold account for these fluctuations around a moderate value and obtain a stable running of the dies according to the invention tion, it is desirable that the temperature difference ~ a = ~ 2 or at least equal to 30C.
This value is obtained thanks to the appropriate choice requests the dimensional characteristics of the different fiber centers.
For the bosses according to the invention comprising for example two series of data centers brage C'l and C'2, the operation is as follows:
~ u start the molten glass feeding the die passes through the cells, flows through the different annular perforated holes on the underside of the outer bosses and quickly send said face. The flow one or more masses are formed globular by boss, which gradually descend under the action of their own weight, resulting in their wakes a filament of glass. This phase can be accelerated by manual intervention ~ We reunite all the filaments thus formed and we proceed to their mechanical stretching at low speed. We send then a gas stream, preferably air, in sweeping the bottom of the die. As for the sectors with a flat bottom, the temperature of the filament bulbs decreases under the action of the gas stream. She reached a temperature ~ '1 below which the filaments stretches from the fiber centers It is subdivided feels in as many filaments as there are orifices in these fiber centers.
As for the previous courses, the temperature erasure of the bulbs of the different filaments thus stretched is stabilized at a temperature T 'between the limit temperatures ~' 1 and ~ '2', the latter temperature ture corresponding to the limit below which it there would be a subdivision of the stretched filaments a from the C'2 centers.
The filaments thus obtained are collected in at least one wire wound on a rotating support and usually continues the drawing of said filaments in stopping the gas flow from the start of winding some thread. It is also possible, by reducing the flow gas stream, continue to sweep the bottom of the die during the entire fiber drawing operation.
For the same reasons as those explained previously the temperature T 'is preferably stabilized at a value close to 1/2 ('l + ~' 2) ~ and the temperature difference Q ~ 'must be at least 30C.
This difference ~ a I is obtained by an appropriate choice requested the dimensional characteristics of the bosses, in particular their height h and the thickness p of their side wall, as well as the thickness f of the bottom of the boss.
Glass cooling, simply obtained by radiation and by convection between the walls of bosses and the ambient gases circulating in the inter-valleys separating said bosses and entrained by the filaments during drawing, makes it possible to homogenize the temperature of the glass leaving the various orifices. This cooling can possibly be reinforced and regulated by the insertion of cooling elements between the rows of bosses.
The distribution of the orifices is controlled by the different distances separating the centers of fi-brage and, for each center, by the distances separating the orifices.
Whether the die is flat-bottom or bossed 6 ~ 92 the edge to edge distance of the orifices belonging to a same fiber center can vary from 1 mm ~ O, 2 mm and even less, but it is preferably between 0.2 and 0, S mm.
For the distances separating two centers of adjacent fiberizing we will distinguish the two types of sectors.
For flat bottom dies, these distances, called t and 1 in figure 2, must be equal or greater than 1.5 times the diameter of the holes presented both the largest section on the industry in question.
For the bosses the distances between adjacent fiber centers are determined by the distances between two adjacent bosses.
The bosses can be arranged in rows single or in double rows, perpendicular to the longitudinal axis of the bottom of the die as well as the buff Figures 5 and 6. In each single row, the bosses are separated by a distance k which must be at least equal to 0.1 mm / but which is preferably between 0.4 and 1 mm. When we adopt a confi-staggered guration, the distances kl and k2 separating respectively two adjacent bosses belonging to a same row and two adjacent bosses belonging to two different rows must also be at least equal to 0.1 mm but are preferably between 0.4 and 1 mm.
The spacing g existing between two rows single O ~ l double is such that it allows to insert a element of the cooling device. So this spacing can vary from 2.5 to 5.5 mm and preferably from 3.5 to 4 ~ m.
A particular advantage of the use of bossa-so arranged in single or double rows is that the electric current flows essentially, in the 6 ~ 9; Z
bottom plate, between the bosses rather than in their walls. It results in particular that the thickness of the lower wall of the bosses can be chosen independently ~ mm ~ nt electrical characteristics of the die considered globallyO Therefore, the ~ ilieres according to the invention have electrical characteristics similar to those of conventional bottoms nipples, without having the disadvantages.
Some dimensional characteristics important are illustrated in Figure 4; it's about thicknesses e and f corresponding respectively to bottom of the die and that of the bosses, height h and thickness p of the side wall of these latter.
The determination of these characteristics is essentially conditioned by the phenomena of energy electrical energy dissipated by Joule effect, resistance mechanics of the sector, the phenomena of heat exchange glass flow rate per hole and the number of holes fices per unit area.
Thus, in order to provide resistance sufficient mechanical strength at the bottom of the die while i. immobilizing as little metal as possible, the thickness e varies from 0.5 to 3 mm and preferably from 1 to 2 mm.
This thickness, determined independently of dimensional characteristics of the boss, may vary from one area to another at the bottom and is chosen in a way get a distribution of electrical currents which is as homogeneous as possible over the entire bottom of the sector.
The thickness f which partly conditions the glass flow rate may vary independently of others dimensional characteristics; by choosing very small thicknesses, we minimize losses of charge in the orifices, which makes it possible to obtain ~ <
6 ~
high flow rates from small diameter orifices.
This thickness f can vary from 0.2 to 2 mm and preferably rence from 0.4 to 1 mm, depending on the diameter of the ori-fices.
The degree of cooling of the glass depends closely of the height h and the thickness p of the side wall of the bosses.
The thickness p can be constant, when the boss is of cylindrical shape for example. She can also move in a horizontal plane, when the boss, of parallelepipedal external shape, corres-lays on an almost cylindrical internal cell, as well as represents it in figure 5.
In general, for the sectors according to 15 the invention, h varies from 10 mm and p from 0.2 ~ 2 mm and preferably 0.4 to 1 mm.
The benefits and advantages of the process and previously described device will emerge clearly the following examples, which illustrate some modes of particular production of dies according to the invention.
The bottom of the die is made up of a flat plate in rhodium-plated platinum (90 ~ platinum - 10%
rhodium) and includes two categories of Eibrage such as those shown in Figure 2.
The different dimensional characteristics-those of the sector are as follows:
- thickness e = 1 mm - hole diameter = 1.60 mm - distances a = 1.80 mm b = 2.10 mm 1 = 3.65 mm t = 6.15 mm We get four filaments on the centers Cl and a filament on the C2 centers in the conditions following:
When you are free from gas flow a stable walk is obtained when the temperature T of the filament bulb is between temperatures limits 31 and 2 which are equal to 1230C respectively and 1190 C.
When the gas flow is maintained for the fiber drawing operation gives a stable walk when the temperature T is between ~ 1 = 1250 C and ~ 2 - 1210C.
Thus the bottom of the die being swept in permanently by pressurized air, we obtain simul-tanning 4 filaments 15 ~ m in diameter on the cen-very Cl type and a filament 30 ~ m in diameter on ~ -5 type C2 centers by adopting the conditions of following fiberizing:
glass bulb temperature T = 1240C
stretching speed = 10 ms 1 The ~ ond of the die consists of a flat plate in rhodium platinum 90 ~ - 10 ~ and includes two categories of ~ ibrage centers arranged at the base of a series of bosses. These are identical to those shown in Figures 3 to 5. They are available seated in a row by alternating bosses of type Bl and B2.
The different dimensional characteristics-those in the sector are as follows:
~ thicknesses - from the bottom of the die e = l, S mm - from the bottom of the boss f = 0.5 mm . distance between two adjacent bosses:
in the same row k = 1 mm - between two rows g = 3.5 mm 6 ~ 92 . boss section = 4.6 x 4.6 mm . boss height h = 4.5 m ~
. hole diameter = 1.6 mm . edge to edge distance between two orifices adjacent:
- sl boss = 0.5 mm - boss B2 = 0.2 mm In the absence of blowing, simultaneous four filaments on the bosses Bl and one filament lie on the bosses B2 when the temperature T 'des filament bulbs is between 9'1 = 1240C and ~ '2 = 1200C.
So for example at 1220C in the bulb and for a speed of 10 m. 5 1 we simultaneously obtain filaments of 20 and 40 ~ m in diameter.
The previous examples show ~ ue the dies according to the invention make it possible to obtain wires composed of a mixture of filaments of straight sections different in constant and defined proportion.
However, it is obvious that the res according to the invention can be used for fiberizing temperatures above ~ 1 (or ~ '1) or less than ~ 2 (or ~ '2) so as to obtain wires composed of filaments all having substantially the same cross section.