DD200899A1 - Verfahren zur herstellung feinster fasern,insbesondere aus glas - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung feinster Fasern, insbesondere aus Glas, die zur Waerme-, Kaelte- oder Schalldaemmung z.b. im Hochbau, Schiffsbau, Fahrzeugbau und Flugzeugbau eingesetzt werden, aber auch vorzugsweise zur Produktion von Filtern und Filterelementen dienen, die sowohl bei Fluessigkeiten als auch bei gasfoermigen Medien verwendet werden koennen. Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung feinster Fasern, wobei im Endeffekt sich eine hoehere Arbeitsproduktivitaet und hoehere Leistung einstellt und der spezifische Energieverbrauch gesenkt wird. Erfindungsgemaess ist die Aufgabe dadurch geloest, dass aus Duesenwannen oder von Glasstaeben gezogenen primaere Glasfaeden ein- oder beiderseitig einem heissen, hochbeschleunigten Gasstrom zugefuehrt und direkt vor ihrem Eintritt in dem Gasstrom mittels ein- oder beiderseitig angeordneter elektrisch oder gasbeheizter zusatzbrenner so weit erhitz werden, dass beim Eintreten in den Gasstrom der Zerfaserprozess sofort beginnen kann, waehrenddessen ein- oder beidseitig zugeordnete Gasstrahlen die hocherhitzten primaeren Glasfaeden stuetzen und im Umlaufpunkt innerhalb des hochbeschleunigten Gasstromes bei Eintritt der Querschnittsverjuengung der primaeren Glasfaeden als direkter Widerstand gegen das Umknicken der Glasfaeden vor Eintritt in den Gasstrom sichern. Die kinetische Energie der ein- oder beiderseitig zugeordneten Gasstrahlen ist dabei wesentlich geringer als die kinetische Energie des hochbeschleuningten Gasstromes. Fig. 1 u. 2

Description

Die Erfindung bezieht" sich auf ein Verfahren zur Herstel lung feinster Fasern, insbesondere aus Glas, die sur Wärme-« Kälte- und SohalMäramims: zum Beispiel im Hochbau« Schiffsbau^ Fahrzeugbau und Flugzeugbau eingesetzt werde aber auch vorzugsweise; zur Produktion von Filtern und Filterelementen dienea* die sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei gasförmigen Medien verendet worden können©

Auf dem Fachgebiet der Glasfaserherstellung: existieren vier Gruppen genau definiert©^· technischer Yerfahren» Jede dieser Gruppen wiederum weist zahlreiche Varianten auf©. Auf dia einseinen Techniken wird im folgenden näher eingegangen«. Die vier existierenden Gruppen können wie folgt eingeteilt wardens

1» Ziehverfahren

2* Schleuderverfahren

3« Blasverfahren

4*- Kombinierte-Verfahren

Beim Ziehverfahren werden kontinuierlich endlose Fasern gs«* zogen« Dabei erfolgt das Ausziehen des Glasstromes:, durch mechanischen Zug mittels einer Drehtrommel mit hoher Ga·=* schwindigkeit oder auch durch den Zug sich drehender Rollen Es gibt zwei verschiedene Varianten, diese; Glasfasern her«» sust eIlen ι

Einmal das "Stabziehverfahren^ bei dem Glasstäbe solange erhitzt werden, bis aua Stabenden erweichen und von. ihnen Glasfasern abgezogen werden können sowie das "Büsenziehverfahren**-, bei dem die Glasströme aus Öffnungen (Warzen,. Nippel) in der Düsenplatte austreten* Beim "Düsenziehverfahren⁵* wird das Glas in Form von Kugeln,, Pellets^ Glasbruch,-Fritii® o_sä® in kleine WaSmQn₉, meistens aus Plat in, gefüllt* Die Wanaen werden mit Gas, aber vor«· wiegend elektrisch direkt oder indirekt beheizt«. Der Wannen boden ist als Düsenplatte gearbeitet;, durch deren Bohrungen

das Glas läuft; und zunächst ©inen Iropfen bildet» Dieser · Tropfen fällt herab und es bildet sich ein Faden* der von einer rotierenden Abzugstroimnal aufgenommen wird* Die bsi .dsm Ziehverfahren entstehenden Fasern sind endlos' und v/eisen Easerdurchmesser zwischen 10 und 30 pm auf * Die entsprechenden Patente sind zu zahlreichj um hier aufgeführt zu werden© Sie sind zudem in bezug auf die Erfin«* dung, von keinerlei reeller Wichtigkeit und nur der Vollständigkeit halber hier angeführt worden.»

Die Schleuderverfahren beruhen im Prinzip, darauf _s daß ein aus einer Gilasschmelzwanjae ausfließender ßrlasstrom auf eine oder mehrere schnell rotierende keramische oder Stahlscheü« ben aufläuft und zerfasert wirdu Die Schleuderverfahren unterteilen sich in ^Horizontal-Schleuderverfahren⁵* (Ver~ fahren nach Hagar_? Verfahren nach Gypser)}, im "Vertikal·» Schleuderverfahren'* (Verfahren nach Freazel)· und in "Schrägschleuderverfahr en¹* (Verfahren nach Fiedler* Stillite-Verfahren)

Die bei dein Schleuderverfahren entstehenden Kurzfasern weisen Paserdurchmesser zwischen 18 und 30 jnm auf« Dis Schleuderverfahren sind in bezug auf die Erfindung ebenfalls nicht von Wichtigkeit, so daß auf keine Einzelheiten eingegangen werden muß*

Die verschiedenen Varianten des Blasverfahrens; unterscheiden sich vor al3tem durch die unterschiedlichen Blasmedien* Das Prinzip des Verfahrens besteht daria_§ daß das schmelztlüssi«· ge Glaa; über eine Düsenplatte im Boden einer kleinen Wann© analog beim Düsenziehverfahren in vielen kleinen und feinen GCLasströmen nach unten in eine Aussiehsone ausfließt und dabei Gasstrahlen ausgesetzt wird.., die die (»lasströme aus™ ziehen und zerfasern® Biese Gasstrahlen treten nahe den Glas« strömen aus und bewegen sich in der gleichen Sichtan/s fort_f wobei die Glasströme ausgezogen werden® Die Gasstrahlen können aus Hochdruek&sfpf bestehen_? bei anderen Varianten erfolgt das Zerfasern: mit Hilfe von Luft, Die bei den angeführten Varianten entstehenden Kurzfasern weisen Faserdurchmesser zwischen 5 bis 12/Um auf«. Sie sind

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für die weiter.© Betrachtungsweise unerheblich und daher vernachlässigbar* Ia der Vergangenheit wurden zahlreiche Versuche: unternommen_? die Glasfaserherstellung zu verbessern^ indem jeweils zwei des· Grundverfahren kombiniert wurden* Mit diesen kombinierten Verfahren wurden in bezug: auf leistung und Feinheit der Fasern wesentliche Vorteile erzielt:*

Folgende Kombinationen werden angewendet!

a) Schleuder~B-!asverfahres_s unter den Hamen 2SL-*Verfahren^ CED-V erfahren» Super-^TEX-Verfakrenj Rotary -Verfahr en,

"" Rotaf.lax-Verfahren und Crown-Verfahren bekanmt;

b) Blas^nBlasverfahraHj bekannt unter Torrationsverfahren und Eibrier längsverfahren;;

c) Z ieh«© lasverfahr en ₉ unter den Hamen Aeroeo£-»verfahrsn und SuperfeJUafaserverfahrea. bekannt ©

Dia einseinen Methoden des ^!} Schleuder-S lasverfahr ens¹* beruhen auf dem gleichen Prinzip und unterscheiden sich nur in verschiedensß technologischen Anordnungen bei der Zerfaserung^

Die Verfahren nach leveaqu« (DT-PS" 1*029*132) xxnä Stalego (D0?~PS ί_Φ086;_β864:) als"'auch die darauf aufgebauten Verfahren beruhen darauf _t daß aus einer Glasschmelzwanne kontinuierlich ein flüssiger- Glasstroia in einem Schleuderkörper (Zentrifugen« topf) rinntg der sich mit 3000 bis 4000 Umdrehungen pro Minute drehte Im äußeren Mantel des Schleuderkörpers sind in Reihen Übereinander ca« 6000 kleine Bohrungen angebracht * Infolge der ?/irkung der Zentrifugalkraft: wird das heiße Glas durch diese Bohrungen hindurchgapreßt und es entstehen feine Glas« ströme» Diese feinen Glasströme v/erden der Wirkung eines kon-~ zentrischen Ringstrahles aus heißen Gasen oder Flammen ausgesetzt, der nach unten gerichtet is'fc und die Fasern dabei aus« sieht®,

Bei einigen Ausführungen werden die Fasern einen zweitens ebenfalls ringförmig angeordneten. Hochgeschwindigkeitsstrahl ausgesetzt₉ der eine weitere Streckung der- Fasern bewirkt» Es entstehen gekrümmte Kurzfasern im Bereich von 2 bis; 15

KJ

Ein Nachteil dieser Verfahren besteht im hohen Aufwand bedingt durch die fortwährend hohe Drehbewegung des Rotors: und der benötigten äußerst; genauen Regelung der¹ Verfahren* Außerdem ist es nicht möglich^ mikrof»eine Fasern ·'. 1 jam. herzustellen«

Die B:,las^ Blasverfahren sind relativ neueren Datums^ Das Verfahren von Mukai u,a. (DT-GS 2*?27*92$>) umfaßt ein Gefäß zur Aufnahme einer Schmelzt; des anorganischen Materials; mit einer Auslaßöffnung an der· Bodenfläche, die ein Mundstück mit ebenes· kreisförmiger Gestalt aufweist;, es umfaßt eine Zentraldüsa₉ um sin unter Druck stehendes Gas nach unten auszupressen, die in dem Gefäß: angebracht ist und einen sich ija'Vertikalrichtung erstreckenden hohlen zylindrischen Ab« schnitt besitstg der koaxial zur/ Auslaßöffnung des Gefäßes so a rgeordnet istb, daß um den zylindrischen Abschnitt der Düse, in der A us laß öffnung ein ringförmiger Raum gebildet; ist» Es umfaßt weiter eine Ringdtise^ die unterhalb des: Gefäßes um die in axialer Richtung, fortgesetzt gedachte: Auslaßöffnung angebracht ist; und die mindestens eine Ausblase öffnung an einem horizontal gelegenen umfang; besitzt ₉ um ein unter Druck stehendes Gas in nach unten und nach innen geneigten Richtungen auszublasen Das geschmolzene Glas tritt aus dem Gefäß durch den in der zylindrischen Auslaßöffnung um die Zentraldüse gebildeten Raum hindurch und fließt durch die Schwerkraftwirkung aus der Auslaßöffnung so heraus, daß es als ein Strom in Gestalt eines Hohlzylinders vertikal nach unten fällt». Die Zentraldüse schickt fortlaufend Druckgas nach unten in den mittleren Hohlraum des zylindrischen Glasstromes,, so daß dieser Glasstrom nach unten hin auseinandergedrückt wird« Gleichzeitig tritt auch Druckgas aus der Hingdüse aus und bläst in Richtung der Außenseite des zylindrischen Glasstromes« Das aus der Ringdüse austretende Druckgas trifft auf den Glasstrom auf, wenn dieser sich gerade nach außen erweitern will» Im Endergebnis wirken die Gas-» ströme aus der.· Zentraldüse bzw« der Ringdüse so zusammen, daß sie den hohlzylindrischen Strom aus geschmolzenem Glas auflösen und das Glas äuseinanderblasen· Dadurch wird das geschmdzene Glas in kurze Fasern zerteilt*

Nach dem Verfahren von Levecque,. Battigellt und! Plantard (Er-PS 2*223*31©;; DT-OS: 2»836»594.;i DD-AP ΐ!38_θ33δ) führt man schmelztlüssises Glas in einem Fluidhauptstrom großer Geschwindigkeit ein₉ indem man , um das Bindringen- dieses Materials sicherzustθ 11βη₉ die Wechselwirkung; das.: EIuM-hauptstromes mit einem Fluddtransversa!strahl ausnutzt, wobei die Wechselwirkung; eine Zone schafft, in der resultierende quer sum Hauptstrom.gerichtete Stroms die Zuführung dieses erweichten Materials in die Wechselwirkungszone sicherstellen^ Der Hauptgasstrom.weist dabei eine hohe Temperatur von 1i5 OG bis 16OO^GC: und eine Geschwindigkeit von 250 bis 300 m/s auf _s während der Gasstrahl mit Geschwindigkeiten, von 600 m/s und Temperaturen von 800 bis 900,⁰G arbeitet«, In der Wechselwirkungszone entstehen Unterdruck™ gebiete mit lirbe1stromen₉ in die di« Glasströ'me eingeführt werden^ Mit den Wirbe!strömen führt daa Glas peitschenarti«· gs Bewegungen aus und wird so zu langen feinen Fasern (0^5 bis 10yum) ausgesogen^'

Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine höhere Leistung au erzielen, aber mikrofeine "Fasern<0$5 p& lassen sich auch hiermit nicht produzieren* Durch die Benutzung eines Hochdruckbrenners und eines Mitteldruckbrenners werden große Mengen an-Energie benötigt.«· Durch das Zusammenspiel der- baiden Brennen entsteht ein hoher lärm|is£els> der sich äußerst belastend! für die Umwelt auswirkt«.

Die Zieh-Biasverfahren sind unter den Kamen **Aer.ocorverfahren" und ^t?Superfeinfaser«*Verfahreja^rt· näher- bekanat gewordene

Der Grundgedanke von Stalego (US-PS; 2^489^243) sowie Slayter und Fletcher (US-PS 2*45O_#.363) besagt, daß Glasfaden in einem Glasstrom von hoher Temperatur und hoher.¹ Geschwindigkeit ein« geführt und die sich vorwärts bewegenden Enden der Fäden durch die Wärme und die mechanische Energie des Glaastrahles? geschmolzen und im Querschnitt entsprechend verjüngt werden©- Der das Schmelzen und die Querschnittsverjüngung bewirkende

Gasstrom wird durch Verbrennen einer Mischung von Brennstoff. und Luft in einem begrenzten Raum oder einer abgeschlossenen

Kammer und Abführung der Verbrennungsproduktθ aus der Kaxmaar* durch eine Öffnung*, die so klein bemessen ±a% daß sie den Verbrennungsprodukten beim Durchtritt durch sie eine außerordentlich hohe Geschwindigkeit; erteilt*, erzeugt» Der Vorschub der Glasfaden in den Gasstrom wird in Abhängigkeit von der Temperatus? desselben und dem durchmesser.- der Fäden us?/» so bemessen^ daß das sich vorwärts bewegend©. Ende d erFäden im Gasstrom geschmolzen und durch diesen in ^ormi eine® Gilasstromes: abgeführt wird, dessen Ende:· mit den festen Fäden verbunden bleibt*

Verschiedene andere Lösungen wurden nahegelegt, um Xeistungs·= Steigerungen und noch feinere Pasern zu erzielen* Hier sind besonders die Verfahren von· Karlovitz (US-PS 2*982*991;) * Stalago (US«P8 2,645*814) und Greiner-Bäs? (DB-WP 95 920) zu erwähnen.» Dabei wurde u_öa_o vorgeschlagen möglichst viele. Glasfaden auf engstem Räume, dem Gasstrom susufuhren₉ da dies eine erhebliche: Kostenfraga darstellte. Dies wurds da« durch realisiert; indem die Glasfaden selten·«· und höhenver» setzt beidseitig dem Gasstrom zugeführt werden© Einen wesentlichen Fortschritt; brachte die Vorheizung; den' primären Glasfaden« Bedingt durch die Vorheisungj kann die Zerfaserung; im Gasstrom wesentlich früher erfolgen^ da ein £eil der Energie des Gasstromes für die Erhitzung der Glasfaden nicht mehr benötigt;: und für die Zerfaserung wirksam wird« Die primären Glasfäden können jedoch nur so weit vorgeheizt werden₉. daß sie nach hinreichend fest sind_? um der verjüngend wirkenden Energie des Gasstromes; in dein Bereich, von welchem der zu verjüngende .flüssige Strom ausgeht, Widerstand leisten kann_s so daß der flüssige Strom durch die Energie des-Gas- — stromes zu einer Faser des gewünschten Querschnitts ausgezogen wird*

Um die Leistung weiter zu steigern,, wurde von Slayter und Fletcher versucht- (US-PS 2·810Λ57), ähnlich dem «Blas-Bilasverfahren¹¹' mit zwei Hocligeschwindigkeits^a'asströmen zu arbeiten mit dem Ergebnis eines hohen Energieverbrauchs«

Andere Arbeite& von StaXego (ÜS-PS 2,663o903;_: US-PS 2,972«.1&9;; US-PS 3*015*12? und US-PS 3·Ο15-·842) beschäftigen sich damit, einen flüssigen Glasstrom direkt in die den- hochbeschleunig« ten Gasstrom erzeugende Kammer einzuspeisen und zu Fasern zu. zerteilen * Hier treten erhebliche Probleme in Gestalt; von Qualitätsproblemen der." Faear auf»

In Weiterführung dessen wurde bereits auch versucht₅ einen flüssigen Glasstrom direkt in den Zerfaserungs-Gasstrom zu leiten (US-PS 3«357*608?; US-PS 3*634*055)* Die ordnungsgemäße Zerfaserung scheiterte in der Praxis an der.· Tatsache _$ daß der schmelzflüssige Glasstrom die Tendenz sseigt., einer Bahn am Gasstromumfang zu folgen^. d.»h_9i auf dem nachbeschleunigt en Zerfaserungs-Gasstrozn zu reiten? .---ianstatt; in dessen Kern einsutreten_s dorthin,^ wo die Zerfaserungsbedingungen optimal sind«

Ziel der Erfindun«:

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zva? Herstellung: feinster Fasern^ insbesondere aus Glas_s wobei vorteilhafterweise- bereits bewährte Prinzipien auf dem Gebiet der Faserherstellung: zur Anwendung gelangen sollen und im Endeffekt sich eine höhere Arbeitsproduktivität und höhe re Leistung einstellt unter Einbeziehung der MöglihkeiVder Herstellung feinster lasesa. < 0_a5 Jcon: und der: Senkung des; spezifischen Energieverbrauchs*

Der Erfindung liegt die Aufgab® zugrunde₉ das bekannte; Aerocor· bzw^ Superfeinfaserverfahren mit einfachen Mitteln ohne Zuhilfenahme anfälliger Verschleiß- und rotierender; Teile zu modifizieren»

Merkmale der· Erfindung:

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus Düsenwanaen oder von Glasstäben gezogene primäre Gl_asfäden ein- oder beiderseitig einem heißen hochbeschleunigten Gas« strom zugeführt und direkt; vor ihrem Eintritt in den Gasstrom

mittels ein-* oder beiderseitig angeordneter elektrisch oder gasbeheiztem Zusatsbrenner so weit' erhitzt werden, daß beim Eintreten in den Gasstrom der· Zerfaserungsprozeß. sofort; beginnen kans₉ währenddessen ein- oder beiderseitig zugeord-» nets GSSStrshlsi*. dis juCOJuoIiilioijicin jüx*i.tuux"tiii uxäÖJ-ädöiA stützerr und im Umlenkpunkt innerhalb des hochbeschleunigten Gasstromes bei Eintritt; der Qiierschnittsverjüngung der pri^ mären Glasfaden als direkter· Widerstand gegen das Umknicken der Glasfäden vor Eintritt in den Gasstrom sichern*

Die kinetische Energie der ein- oder beiderseitig zugeordneten Gasstrahlen ist dabei wesentlich geringer als diet kinetische Energie; des hochbeschleunigten Gasstromes»

Ausf^ührungsbeisgiels

Das erfindungsgeinäße Verfahren wird nachstehend an bevorzugten Ausfürhungsbeispielen näher erläutert* In Figur· 1 wird der aus einer Düsenwanne 1 von dein Ziehwalzenpaar* 2 gesogene Glasfaden 3 über eine Fadenführungs» einrichtung 4 dem Brennersystem zugeleitet* Vor Eintritt; in den hochbeschleunigten heißen Gasstrom des Zerfaserungsbren-» ners 5 wird der Glasfaden 3 durch einen Zusatzbrenner δ so weit erhitzt j daß beim Eintreten in den Gasstrom der Zerfaserungsproseß sofort beginnen kann;» Um ein Reiben des sich verjüngenden Glasfaden auf dem heißen Gasstrom zu verhindern« wird der Glasfaden 3 vom Gasstrom eines Haltebrenners TT im Umlenkpunkt: innerhalb des hochbeschleunigten Gasstromes bei Eintritt; der Querschnittsverjüngung gestützt ₉ wobei der Gasstrom: des Haltebrenners ψ zusätzlich als direkter Widerstand gegen das Umknicken des Glasfadens 3; vor Eintritt in den Gasstrom des Zerfaserungsbrenners 5 wirkt»

Figur 2 seigt die beiderseitige. Zuführung von Ziehwalzen-* paaren 2 aus Glasstäben gezogene Glasfäden 1 * die über Fadenführungseinrichtungen 4; dem Brennersystem, zugeleitet werden* Die Glasfäden 3 werden durch beiderseitig angeordnete Zusatzbrenner £ so weit erhitzt* daß sie beim Eintreten in den vom Zerfaserungsbrenner 5 erzeugten heißen^ hochbeschleunigten Gasstrom sofort zerfasert werden können*

L O Q υ %J ^J s-

Im Umlenkpunkt werden die Glasfaden 3 vom Gasstrom der beiderseitig angeordneten Haltebrenner 7 so gestutzt,- daß bei Eintreten der Quer schnitt sver.jüngung der Glasfaden 3 innerhalb des Gasstromes des Zerfaserungsbrenaers 5 ein Umknickem verhindert und ein Reiten auf dem Gasstrom des Zerfaserungsbrenners unterbunden wird»

Claims (4)

1* Verfahren zur Herstellung feinster Fasern* insbesondere aus Glas$ bei dem aus Düsenwannen oder von Glasstäben geiz ogA^ja ' η;^_·ΐ.ΐτ\»τ> "β G-Xp.sfp^e" <?X5.-~ OClfiT b<? id 6I¹S β "1.^ ? £ <?ίϊ?<5?ϊΙ heißen_s hochbeschleunigten Gasstrom zugeführt und direkt vor ihrem Eintritt in den Gasstrom*mittels ein- oder beiderseitig; angeordneter elektrisch oder gasbeheizter¹ Zu« satzbrenner vorgeheizt werden^ dadurch gekennzeichnet, daß die primären Glasfaden bis über die Erweichungsgrenze aufgeheizt werden^ so daß beim Eintreten in den Gasstrom der Zerfaserungsprozeß sofort beginnt, während in Zieh·» richtung der primären: Glasfaden ein- oder., beiderseitig zugeordnete Gasstrahlen die hocherhitzten primären Glasfaden stützen und. in ihrem Umlenkpunkt innerhalb des hochbeschleunigten Gasstromes; bei Eintritt der Querschnitts· Verjüngung der primären Glasfaden ale direkter Widerstand gegen das Umknicken der· primären Glasfäden vor dem Eintritt in den Gasstrom sichern, wobei die kinetische Energie der ein- oder beiderseitig zugeordnetem Gasstrahlen wesentlich geringer als dia kinetische Energie des hochbeschleunisten Gasstromes ist«

2* Verfahren nach Punkt X₉ dadurch gekennzeichnet^ daß der oder die Gasstrahlen an der Oberfläche des hochbeschleunig~ ten Gasstromes: abgelenkt werden und nicht in ihm eindringen,

3» Verfahren nach den Punkten 1 und 2, dadurch gekenazeich«» net_9: daß der oder die Zusatzbrenaar fest mit dem Zerfaserungsbrenner verbunden sind_e

4« Verfahren nach Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die B-lasrichtung des oder der Zusatzbrenäer analog der Blas« richtung des Zarfaserungsbrsnssrs ist»

Eiersu 1 Blatt Zeichnungen