DE102013105369A1

DE102013105369A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern und Filamente

Info

Publication number: DE102013105369A1
Application number: DE102013105369.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Carl Binzer; Markus Seip; Michael Fischer; Birger Dzur; Michael Gramß; Christian Karcher; Swetlana Prochorow
Original assignee: J C BINZER & Co KG GmbH
Current assignee: Binnova & Co Kg De GmbH
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2033-05-25
Also published as: DE102013105369B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern oder Filamente aus einem schmelzbaren Ausgangsmaterial, das insbesondere kontinuierlich zugeführt wird. Ein Aufwand zur Herstellung der Fasern bzw. Filament soll möglichst gering sein. Dafür wird das Ausgangsmaterial (6) in einer Verdüsungszone (2) durch gleichzeitiges Einbringen thermischer und kinetischer Energie verdüst, wobei vom Ausgangsmaterial (6) schmelzflüssige Partikel abgelöst und in eine Quenchungszone (4) beschleunigt werden, in der die Partikel passiv aktiv mit Kälteüberschuss abgekühlt werden, wobei die dadurch zu Fasern oder Filamenten erstarrten Partikel anschließend in einem Sammelbereich (5) gesammelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mikrofeiner Fasern und Filamente aus einem schmelzbaren Ausgangsmaterial, das insbesondere kontinuierlich zugeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern oder Filamenten mit einem derartigen Verfahren.
Mikrofeine Fasern oder Filamente, also Fasern größerer Länge, die im Folgenden der Einfachheit halber nur als Fasern bezeichnet werden, finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung. Als mikrofeine Fasern werden dabei Fasern angesehen, deren Längen/Dicke (Durchmesser) – Verhältnis größer als 1 ist. Insbesondere sollen die Fasern eine Dicke von weniger als 50 µm oder sogar von weniger als 10 µm bei Längen von mindestens 1 mm, insbesondere von mehr als 5 mm aufweisen. Bei Fasern mit kreisförmigen Querschnitt entspricht die Faserdicke einem Durchmesser der Fasern. Als Ausgangsmaterial für die Fasern können dann je nach gewünschtem Verwendungszweck unterschiedliche Materialien ausgewählt werden, beispielsweise kann als Ausgangsmaterial ein Glas- oder Keramikwerkstoff oder ein metallischer Werkstoff bzw. eine metallische Legierung verwendet werden. Insbesondere metallische Fasern gewinnen dabei für verschiedene Anwendungsgebiete immer mehr an Bedeutung. Ein spezielles Einsatzgebiet ist beispielsweise die Herstellung von Filtern aus derartigen metallischen Fasern zur technischen Filtration. Diese Filter müssen dabei sehr kleine Partikel auffangen, wofür Faserdicken von weniger als 50 µm erforderlich sind.
Mikrofeine Fasern können darüber hinaus beispielsweise in Bereichen der Katalyse und Energiespeicherung oder für Treibstoffzellen eingesetzt werden. Mit mechanischen Verfahren, also beispielsweise Umform-, Schneid- oder Scherprozessen lassen sich die gewünschten geringen Faserdicken kaum wirtschaftlich herstellen. So eignen sich diese Verfahren üblicherweise nur für Fasern, deren Dicke größer als 20 µm ist.
Eine bekannte Lösung sieht vor, metallische Fasern mit geringer Faserdicke mittels Bündelzugverfahren herzustellen. Dabei handelt es sich um ein mehrstufiges, nicht kontinuierliches Verfahren, bei dem Metalldrähte elektrochemisch beschichtet, zu einem Bündel zusammengefügt und erneut beschichtet werden. Anschließend wird eine thermisch kontrollierte Streckung und eine Auflösung der Beschichtung im Säurebad durchgeführt. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und insbesondere energie- und kostenintensiv. Ferner ist es auf relativ wenige Materialien beschränkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung mikrofeiner Fasern oder Filamente beziehungsweise eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens anzugeben, mit der die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden. Insbesondere soll der Aufwand zur Herstellung der mikrofeinen Fasern beziehungsweise Filamente reduziert und der Energiebedarf für die Herstellung der Fasern verringert werden. Damit soll eine kostengünstige Herstellung der Fasern ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 10 und 12 bis 18.
Bei einem Verfahren zur Herstellung mikrofeiner Fasern oder Filamente aus einem schmelzbaren Ausgangsmaterial, das kontinuierlich zugeführt wird, ist also erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial durch gleichzeitiges Einbringen thermischer und kinetischer Energie verdüst wird, wobei vom Ausgangsmaterial schmelzflüssige Partikel abgelöst und in Richtung einer Quenchungszone beschleunigt werden, in der die Partikel abgekühlt werden, wobei die dadurch zu Fasern oder Filamenten erstarrten Partikel anschließend gesammelt werden.
Durch das Verdüsen wird eine Abscheidung von Partikeln vom Ausgangsmaterial erreicht, wobei die in schmelzflüssiger Form vorliegenden Partikel möglichst bereits eine faserförmige Struktur aufweisen. Dabei wird gleichzeitig thermische und kinetische Energie in das Ausgangsmaterial eingebracht. Durch Beaufschlagen mit einem Verdüsungsmittel wird das Ausgangsmaterial dabei nicht nur geschmolzen, sondern aus der Schmelze auch direkt Partikel gelöst. Durch die Relativgeschwindigkeit zwischen Verdüsungsmittel und den Partikeln werden diese dann in Richtung Quenchungszone beschleunigt, wobei die Form der Partikel durch die Geschwindigkeit des Verdüsungsmittels beeinflussbar ist. Durch das Verdüsen werden die Partikel also gleichzeitig gelöst bzw. geschmolzen und vom Ausgangsmaterial weg beschleunigt, wodurch diese aus der Verdüsungszone heraus und in die Quenchungszone hinein bewegt werden. In der Verdüsungszone kann dabei die thermische Energie sehr konzentriert in das Ausgangsmaterial eingebracht werden, sodass eine Temperaturbelastung der Umgebung der Verdüsungszone gering gehalten werden kann. In der Quenchungszone erfolgt eine aktive oder passive Abkühlung der Partikel unter deren Schmelzpunkt, die dadurch erstarren. Um eine teilweise bei einem allmählichen Abkühlen auftretende, ungewünschte Kugelbildung dieser Partikel gegebenenfalls zu verhindern, was durch Oberflächenspannungen des Materials erzwungen wird, erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform in der Quenchungszone aktiv eine schlagartige Abkühlung mit Kälteüberschuss. Die Partikel werden dort schockgefroren und können anschließend faserförmig beziehungsweise in Form von Filamenten aufgesammelt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise lassen sich also hohe Abscheideraten bei einem relativ geringen Energieverbrauch in Verhältnis zu bekannten Vorgehensweisen erzielen.
Bevorzugterweise wird das Ausgangsmaterial in massiver oder pulverförmiger Form zugeführt und beim Verdüsen geschmolzen. Durch das Verdüsen lassen sich mit hohem Wirkungsgrad schmelzflüssige Partikel in der gewünschten Größe erzeugen. Gegenüber dem Verdüsen eines als Schmelze vorliegenden Ausgangsmaterials ergibt sich damit eine bessere Energiebilanz. Das Ausgangsmaterial kann dabei beispielsweise stabförmig ausgebildet sein oder in Drahtform zugeführt werden. Prinzipiell kann das Ausgangsmaterial auch eine andere, beispielsweise plattenförmige Form aufweisen. Damit sind eine kontinuierliche Verdüsung und eine kontinuierliche Faserherstellung möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei der Verdüsung die thermische Energie durch Gasentladung oder durch chemische Verbrennung zugeführt. Dadurch kann die thermische Energie sehr konzentriert in das Ausgangsmaterial eingebracht werden, wobei durch die Gasentladung bzw. durch die bei der chemischen Verbrennung zugeführten Materialströme gleichzeitig die kinetische Energie eingebracht wird. So wird eine Beschleunigung der abgetrennten, schmelzflüssigen Partikel erreicht, die dazu ausgenutzt wird, die schmelzförmigen Partikel in Richtung Quenchungszone fliegen zu lassen.
Bei der chemischen Verbrennung wird ein Brenngas als Verdüsungsmittel zugeführt und gezündet, wobei die zugeführte thermische Energie bzw. die Verbrennungstemperatur und die zugeführte kinetische Energie bzw. Geschwindigkeit des Verdüsungsmittels miteinander gekoppelt sind. Die chemische Verbrennung kann auch als Flammspritzverfahren bezeichnet werden.
Bei der Gasentladung wird vorteilhafterweise ein stromführender Lichtbogen oder ein stromfreier Plasmastrahl eingesetzt. Dadurch wird die Energie in einem sehr kleinen Bereich des Ausgangsmaterials konzentriert eingebracht. Das zugeführte Material wird so geschmolzen und die erzeugten Partikel gleichzeitig beschleunigt. Eine Erwärmung des Plasmastrahls kann beispielsweise auf über 5000 Kelvin erfolgen, ohne dass aufgrund des fokussierten Energieeintrags eine Kühlung der Zuführungsmittel erforderlich ist.
Ein stromfreier Plasmastrahl kann beispielsweise mittels Gleichstromplasma erzeugt werden. Dabei wird der Plasmastrahl durch Gasaufheizung mittels Gleichstrom-Lichtbogen gezündet, der z.B. zwischen einer stabförmigen Kathode und einer Anode generiert wird. Es können Temperaturen bis zu 10.000 Kelvin und Geschwindigkeiten bis zu 10.000 m/s erreichet werden. Durch diese hohen Temperaturen werden die Partikel vom Ausgangsmaterial abgeschmolzen und durch die hohe Geschwindigkeit des Plasmastrahls in flüssiger Form weggerissen. Die Temperatur und die Geschwindigkeit sind dabei immer miteinander gekoppelt. Eine Beeinflussung der Geschwindigkeit, beispielsweise durch Änderung einer Düsengeometrie, verändert auch ein Temperaturprofil.
Die Gasentladung kann auch mit einem Lichtbogen realisiert werden, der das in Form von zwei kontaktierten Drähten kontinuierlich zugeführte Ausgangsmaterial abschmilzt, wobei eine Verdüsung mit einem überlagerten Gasstrom erfolgt. Temperatur und Geschwindigkeit sind dabei relativ unabhängig voneinander, so dass eine Abschmelzgeschwindigkeit, also die Zufuhr der thermischen Energie, getrennt von der Ablöserate, die im Wesentlichen von der zugeführten kinetischen Energie abhängig ist, gesteuert werden kann.
Vorzugsweise werden in der Quenchungszone die schmelzflüssigen Partikel mittels Fluidbeströmung zumindest bis zu ihrem Erstarrungspunkt abgekühlt. Die Fluidbeströmung kann dabei beispielsweise mittels inerten Gasen oder mittels einer Flüssigkeit erfolgen. Dabei erfolgt eine schlagartige Abkühlung der Partikel bis unterhalb ihres Erstarrungspunktes, sodass diese ihre Form beibehalten. So wird eine Tendenz zur Bildung sphärischer Partikel unterdrückt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt vor der Quenchungszone eine berührungslose Formung der schmelzflüssigen Partikel zu mikrofeinen Fasern beziehungsweise Filamenten. Die Partikel werden dadurch direkt nach Austritt aus der Verdüsungszone in ihrer Form kontrolliert, wodurch zum einen eine höhere Homogenität der hergestellten Fasern erreicht werden kann und zum anderen die hergestellten Faserdicken weiter abgesenkt werden können. So können beispielsweise Fasern mit einer Dicke von weniger als 20 µm oder sogar weniger als 10 µm und einer Länge von mindestens 1 mm, insbesondere mit einer Länge von 4 mm, 5 mm oder 6 mm, erzeugt werden.
Bei einer alternativen Lösung werden die Partikel durch ein Magnetfeld geführt, das als statisches Feld oder als magnetisches Wechselfeld ausgebildet ist. Durch elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Magnetfeld und Partikeln wirken, sofern die Partikel ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen, Lorentzkräfte auf die Partikel, die einer durch die Oberflächenspannung des Materials hervorgerufene Kugelbildung entgegenwirken. Mit Hilfe eines entsprechenden Magnetfeldes lässt sich die Form der Partikel berührungslos beeinflussen.
Die Generierung der Lorentzkräfte kann dabei durch verschiedene Prinzipien erfolgen, die auch miteinander kombiniert werden können. So treten Lorentzkräfte bei einer Relativbewegung zwischen Magnetfeld und den elektrisch leitfähigen Partikel auf. Die Relativbewegung kann durch die Bewegung der Partikel durch ein stationäres Magnetfeld oder durch die Bewegung des Magnetfelds gegenüber den Partikeln bzw. beiden Bewegungen gleichzeitig erzeugt werden. Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung der Lorentzkräfte besteht darin, elektrische Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Partikeln durch ein magnetisches Wechselfeld zu induzieren. Dies führt wiederum zu einer Wechselwirkung mit dem Magnetfeld und somit zum Auftreten der Lorentzkräfte.
Insbesondere durch eine Kombination der beiden Prinzipien können so längs und quer zur Bewegungsrichtung der Partikel wirkende Kräfte erzeugt und die Partikel so in die Länge gezogen werden.
Bevorzugterweise wird das Magnetfeld mit Permanentmagneten oder mit Elektromagneten erzeugt. Permanentmagnete haben dabei den Vorteil, dass sie einen keinen eigenen Energiebedarf aufweisen. Elektromagnete, die beispielsweise als mit Gleichstrom betriebene Spulen ausgebildet sind, haben demgegenüber den Vorteil, dass sie leichter steuerbar sind und höhere Magnetkräfte mit geringerem Aufwand erzeugen können. Zusammenfassend wird im Folgenden der Begriff Magnete verwendet, der sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete umfasst. Das mit den Magneten erzeugte Feld kann dabei homogen oder inhomogen ausgebildet werden.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Magnetfeld als statisches Feld oder als magnetisches Wechselfeld ausgebildet wird. Ein statisches Magnetfeld lässt sich relativ einfach erzeugen, während ein Wechselfeld möglicherweise einen höheren Wirkungsgrad verspricht. Insbesondere mit Elektromagneten ist dabei die Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes durch eine entsprechende Ansteuerung der Elektromagneten relativ einfach möglich. Die Bewegung des Wechselfeldes erfolgt dabei vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Flugbahn der schmelzflüssigen Partikel.
Bevorzugterweise werden die Magnete zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes bewegt, wobei die Bewegung insbesondere auf einer Kreisbahn erfolgt. Dies stellt eine relativ einfache Möglichkeit dar, auch mit Permanentmagneten ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Beispielsweise sind die Permanentmagnete auf einander gegenüber liegenden, rotierbar gelagerten Scheiben angeordnet, wobei über die Drehfrequenz der Scheiben und die Distanz benachbarter Permanentmagnete einer Scheibe die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes bestimmt wird. Eine derartige Anordnung kann auch als elektromagnetische Walze bezeichnet werden.
Das Magnetfeld kann als beispielsweise zylindrisches statisches Feld oder als statisches Feld mit einer divergierenden bzw. konvergierenden Geometrie ausgebildet werden, durch das sich die Partikel bewegen. Ebenso können instationäre Magnetfelder in zylindrischer oder konvergierender bzw. divergierender Form verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, axial veränderliche Lorentzkräfte zu erzeugen.
Um zu verhindern, dass die Permanentmagnete beziehungsweise die Elektromagnete zu stark thermisch belastet werden, also beispielsweise nicht über die Curie-Temperatur erwärmt werden, werden die Permanentmagnete beziehungsweise die Elektromagnete vorzugsweise gekühlt. Dadurch können die Magnete und damit das Magnetfeld sehr nah an der Verdüsungszone angeordnet werden.
Bei einer Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern oder Filamente mit einem Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sie eine Verdüsungszone, eine Quenchungszone und einen Sammelbereich aufweist, wobei in der Verdüsungszone eine Zuführeinrichtung für das Ausgangsmaterial und eine Verdüsungseinrichtung zum Einbringen thermischer und kinetischer Energie angeordnet sind und in der Quenchungszone eine das in Form von schmelzflüssigen Partikeln in die Quenchungszone eingebrachten Ausgangsmaterials abkühlbar ist, wobei im Sammelbereich die zu Fasern oder Filamenten erstarrten Partikel sammelbar sind.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung erfolgt eine Abscheidung des kontinuierlich zugeführten Ausgangsmaterials durch gleichzeitiges Einbringen von kinetischer und thermischer Energie. Das Ausgangsmaterial wird so in Form von schmelzflüssigen Partikeln beschleunigt und in eine Quenchungszone gebracht. In der Quenchungszone erfolgt eine passive oder eine aktive, schlagartige Abkühlung beispielsweise mittels Beaufschlagung mit Stickstoff. Durch diese Abkühlung soll eine Kugelbildung der Partikel vermieden werden, die aufgrund hoher Oberflächenspannungen bei langsamer Abkühlung auftritt. Dadurch können die Partikel in Form von Fasern oder Filamenten aufgesammelt werden, bei denen die Faserdicke unter 50 µm, insbesondere unter 10 µm bei einer Länge von mindestens 1 mm, insbesondere von 4 mm, 5 mm oder 6 mm, liegt. Damit können Fasern und Filamente mit geringem Aufwand, insbesondere mit geringerem Energiebedarf als bei herkömmlichen Verfahren hergestellt werden.
Vorzugsweise ist die Verdüsungseinrichtung derartig ausgebildet, dass sie Partikel vom Ausgangsmaterial abscheidet und gleichzeitig die Partikel in Richtung Quenchungszone beschleunigt. Die Verdüsungseinrichtung übernimmt also eine Doppelfunktion, nämlich die Abscheidung der Partikel und gegebenenfalls die Überführung in eine schmelzflüssige Form sowie die Beschleunigung der Partikel weg vom zugeführten Ausgangsmaterial in die Quenchungszone, in der die Partikel schlagartig abgekühlt werden.
Eine besonders geeignete Ausgestaltung der Verdüsungseinrichtung, mit der ein hoher, konzentrierter Energieeintrag und eine gleichzeitige Beschleunigung der schmelzflüssigen Partikel erreichbar sind, besteht darin, dass die Verdüsungseinrichtung als Lichtbogengenerator oder Plasmastrahlgenerator ausgebildet ist. Die Verwendung eines Plasmastrahlgenerators kann auch als Plasmaverdüsung bezeichnet werden. Dabei wird ein Plasma, wie beispielsweise ein Argon-Wasserstoff-Plasma, erzeugt, das eine Temperatur von über 5.000 Kelvin aufweist und mit einer Geschwindigkeit von über 800 m/s strömt. Durch Einbringen des Ausgangsmaterials in das Plasma wird dieses geschmolzen und zerstäubt, wobei die schmelzflüssigen Partikel in die Quenchungszone beschleunigt werden. Durch den erreichbaren hoch konzentrierten Energieeintrag wird die Wärmeabgabe in die Umgebung gering gehalten und ein effizienter Betrieb ermöglicht.
Beim Plasmastrahlgenerator wird ein stromfreier Plasmastrahl durch Gasaufheizung mittels eines Gleichstrom-Lichtbogens erzeugt, der zwischen einer stabförmigen Kathode und einer düsenförmigen Anode ausgebildet ist. Bei einem Lichtbogengenerator wird das Ausgangsmaterial, das drahtförmig zugeführt wird, elektrisch kontaktiert und mittels Lichtbogen abgeschmolzen, wobei ein überlagerter Gasstrom die Partikel aus der Schmelze auslöst und in Richtung Quenchungszone beschleunigt.
In einer anderen Ausgestaltung ist die Verdüsungseinrichtung als chemische Verbrennungseinrichtung ausgebildet. Beispielsweise kann die Verdüsungseinrichtung in Form eines Flammenspritzgerätes oder ähnlich wie ein Autogen-Schweißbrenner aufgebaut sein. Auch dabei werden die zur Flammenbildung dienenden Ausgangsstoffe mit hoher Geschwindigkeit zugeführt, sodass diese die schmelzflüssigen Partikel beschleunigen und in die Quenchungszone treiben können.
Vorteilhafterweise umfasst die Quenchungszone ein insbesondere rohrförmiges Gehäuse, in dem eine Abkühlung der Partikel erfolgt, die durch das Gehäuse hindurch fliegen.
Das Gehäuse weist dafür an gegenüberliegenden Seiten Öffnungen auf, durch die die Partikel ein- bzw. austreten können. Durch das Gehäuse können Partikel aufgefangen werden, die von der gewünschten Bewegungsrichtung abweichen. Darüber hinaus kann ein zu kühlender Bereich umgrenzt werden. Ferner erfolgt durch das Gehäuse eine thermische Isolierung, sodass die eingebrachte Kälteenergie im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses verbleibt und nicht zu einer starken, ungewollten Abkühlung außerhalb der Quenchungszone führt. Die Effizienz des Verfahrens wird damit gesteigert.
Das Gehäuse kann beispielsweise im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet sein und gegebenenfalls eine Innenbeschichtung aufweisen, die ein Anhaften der mit einer Innenseite des Gehäuses kollidierenden Partikel verhindert oder zumindest ein leichteres Ablösen ermöglicht.
Im Gehäuse sind dabei vorzugsweise Einströmöffnungen für ein zur Kühlung der schmelzflüssigen Partikel dienendes Fluid vorgesehen. Dadurch kann relativ einfach eine aktive Kühlung innerhalb des Gehäuses erfolgen, wobei sowohl flüssige als auch gasförmige Fluide verwendet werden können.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist zwischen der Verdüsungszone und der Quenchungszone eine Formungszone angeordnet, in der Magnete zur Ausbildung eines Magnetfeldes angeordnet sind. Durch elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Magnetfeld und den elektrisch leitfähigen, schmelzflüssigen Partikel treten Kräfte auf, insbesondere Lorentzkräfte, die eine Kugelbildung verhindern und mit der eine berührungslose Formung der schmelzflüssigen Partikel möglich ist. Die Magnete können dabei als Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sein.
Mit den Magneten kann ein statisches Magnetfeld oder ein magnetisches Wechselfeld erzeugt werden. Die zur Formung genutzten Lorentzkräfte ergeben sich z.B. durch eine Relativbewegung zwischen dem Magnetfeld und den schmelzflüssigen Partikeln oder durch Induzieren elektrischer Wirbelströme in die Partikel durch Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes. Da diese Partikel durch die Quenchungszone getrieben werden, sich also relativ schnell bewegen, wird auch bei einem statischen Magnetfeld eine ausreichende Relativbewegung erhalten. Ein statisches Magnetfeld kann dabei nicht nur mittels Permanentmagneten, sondern auch mit Elektromagneten, beispielsweise einer mit Gleichstrom versorgten Spule, erzeugt werden. Zusätzlich kann das Magnetfeld bewegbar ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Magnete beweglich angeordnet, wobei ein magnetisches Wechselfeld erzeugbar ist. Damit ist es möglich, auch mit Permanentmagneten ein magnetisches Wechselfeld bereit zu stellen. Beispielsweise sind die Magnete auf einander gegenüber liegenden Scheiben angeordnet und sind drehbar gelagert, sodass sie mit einer entsprechenden Drehfrequenz rotieren können.
Eine besonders wartungsfreundliche Vorrichtung wird dadurch erhalten, dass die Verdüsungszone, die Quenchungszone und gegebenenfalls die Formungszone jeweils durch ein eigenständiges Modul gebildet sind, wobei die Module miteinander koppelbar sind. Durch entsprechende Auswahl der Module beziehungsweise einen Austausch der Module kann dabei eine Anpassung an unterschiedliche Ausgangsmaterialien erfolgen. Ferner ist im Falle eines Defektes ein einfacher Austausch einzelner Module möglich, sodass Ausfallzeiten gering gehalten werden.
Im Anschluss an den Sammelbereich kann gegebenenfalls ein Sortierbereich angeordnet werden, in dem eine Sortierung der erhaltenen Fasern nach Form und/oder Größe erfolgt. Dies kann beispielsweise über Rüttelsiebe oder ähnliches realisiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt:
Die einzige Figur einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern oder Filamente.
In der einzigen Figur ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung mikrofeiner Fasern und Filamente aus einem schmelzbaren Ausgangsmaterial dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist eine Verdüsungszone 2, eine Formungszone 3, eine Quenchungszone 4 und einen Sammelbereich 5 auf. In der Verdüsungszone 2 wird Ausgangsmaterial 6, bei diesem Ausführungsbeispiel in stabförmiger Form, zugeführt und verdüst. Dafür ist in der Verdüsungszone 2 eine Verdüsungseinrichtung 7 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um einen Plasmastrahlgenerator, mit dem ein stromfreier Plasmastrahl 8 erzeugbar ist.
Der Plasmastrahl 8 weist eine Temperatur von über 5.000 Kelvin auf und strömt mit einer Geschwindigkeit von über 800 m/s. Dementsprechend erfolgt ein gleichzeitiger Eintrag von thermischer und kinetischer Energie in das Ausgangsmaterial, das dadurch geschmolzen wird, wobei die Partikel gelöst und beschleunigt werden. Beispielsweise kann er durch ein Wasserstoff-Argon-Plasma gebildet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangsmaterial 6 von zwei Seiten mit seinen Enden in den Plasmastrahl 8 eingeführt, sodass aus dem Ausgangsmaterial 6 Partikel ausgeschmolzen werden, die aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des Plasmastrahls 8 beschleunigt und durch die Formungszone 3 und die Quenchungszone 4 in den Sammelbereich 5 getrieben werden.
In der Formungszone 3 erfolgt eine berührungslose Formung der schmelzflüssigen Partikel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dabei mit Hilfe von Magneten 9, die als Elektromagnete ausgebildet sind, ein rotierendes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Auf die durch die Formungszone 3 fliegenden schmelzflüssigen Partikel wirken dadurch Lorentzkräfte, die eine Kugelbildung der schmelzflüssigen Partikel verhindern und zu einer Verringerung der Dicke dieser Partikel führen.
Anstelle der Magnete 9 kann beispielsweise auch eine von Gleichstrom durchflossene Spule verwendet werden, die insbesondere eine Form aufweist, die an die Gestalt des Partikelstrahls angepasst ist.
Bevor eine allmähliche Abkühlung der schmelzflüssigen Partikel auftritt, gelangen diese in die Quenchungszone 4, in der eine schlagartige Abkühlung durch aktives Abkühlen mit hohem Energieüberschuss erfolgt. Beispielsweise wird Stickstoff in die Quenchungszone 4 eingebracht und kühlt die schmelzflüssigen Partikel. Dieser Stickstoff ist in der Figur durch Pfeile 10, 11 symbolisiert.
Andere geeignete Fluide können aber ebenfalls in gasförmiger oder auch in flüssiger Form verwendet werden.
In der Quenchungszone ist ein Gehäuse 12 angeordnet, das rohrförmig bzw. zylindrisch ausgebildet ist und offene Stirnseiten 13, 14 aufweist, durch die die Partikel eintreten beziehungsweise austreten können. In einer Wandung 15 des Gehäuses 12 sind dabei weitere Einströmöffnungen ausgebildet, durch die ein zur Kühlung der Partikel dienendes Fluid eingeleitet werden kann. Damit ist es möglich, in sehr kurzer Zeit und damit auf einer sehr geringen Länge eine schlagartige Abkühlung der schmelzflüssigen Partikel unter deren Erweichungspunkt zu erreichen.
An die Formungszone 4 schließt sich der Sammelbereich 5 an, der beispielsweise eine Auffangeinrichtung 16 umfasst, in der die Fasern beziehungsweise Filamente abgebremst und aufgefangen werden. An den Sammelbereich kann sich eine nicht dargestellte Sortiereinrichtung anschließen, die beispielsweise Rüttelsiebe aufweist. Mit dieser Sortiereinrichtung können die Fasern nach Dicke und/oder Gestalt sortiert werden. Bei einer Herstellung von Filamenten kann dagegen vorgesehen werden, eine Aufwickeleinrichtung nach oder in Zusammenhang mit dem Sammelbereich 5 anzuordnen, um die erhaltenen Filamente aufzuwickeln.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ausgangsmaterial 6 in die Verdüsungszone 2 eingebracht. Dort erfolgt der Eintrag der thermischen und kinetischen Energie mit Hilfe der Verdüsungseinrichtung 7, sodass schmelzflüssige Partikel abgespalten und in Richtung Quenchungszone 4 beschleunigt werden. In der Quenchungszone 4 erfolgt eine schlagartige Abkühlung beispielsweise mittels Stickstoff, wodurch eine Kugelbildung der Partikel vermieden werden soll, die aufgrund hoher Oberflächenspannungen insbesondere metallischer Werkstoffe bei langsamerer Abkühlung auftritt. Dadurch ist die Ausbildung mikrofeiner Metallfasern mit einem Durchmesser von weniger als 50 µm möglich. Für das Herstellen von Fasern mit geringerer Dicke kann zusätzlich eine Formungszone vorgesehen werden, die zwischen der Verdüsungszone und der Quenchungszone angeordnet wird und durch berührungslose Verformung der Partikel diese zu Fasern mit geringerer Dicke verformt. Diese Form wird dann durch die schlagartige Abkühlung in der Quenchungszone auch im erstarrten Zustand der Partikel beibehalten. Dadurch können Fasern mit Dicken von weniger als 10 µm, gegebenenfalls sogar von weniger als 5 µm erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine sehr effiziente Herstellung von mikrofeinen Fasern beziehungsweise Filamenten mit Dicken von weniger als 50 µm, insbesondere von weniger als 10 µm. Beispielsweise lassen sich Fasern dabei mit einer Länge von 1 bis 10 mm herstellen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren sind dabei der Aufwand und der Energiebedarf beträchtlich geringer, sodass eine kostengünstige Herstellung der Fasern ermöglicht wird. Diese können in vielfältigen Bereichen der Technik eingesetzt werden, beispielsweise in der Fließstoff- und Filtrationsbranche.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Verdüsungszone
3: Formungszone
4: Quenchungszone
5: Sammelbereich
6: Ausgangsmaterial
7: Verdüsungseinrichtung
8: Plasmastrahl
9: Magnete
10, 11: Stickstoff
12: Gehäuse
13, 14: Stirnseite
15: Wandung
16: Auffangbehälter

Claims

Verfahren zur Herstellung mikrofeiner Fasern und Filamente aus einem schmelzbaren Ausgangsmaterial, das insbesondere kontinuierlich zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (6) durch gleichzeitiges Einbringen von thermischer und kinetischer Energie verdüst wird, wobei vom Ausgangsmaterial (6) schmelzflüssige Partikel entstehen und in Richtung einer Quenchungszone (4) beschleunigt werden, in der die Partikel mit Kälteüberschuss aktiv abgekühlt werden, wobei die dadurch zu Fasern oder Filamenten erstarrten Partikel anschließend gesammelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (6) in massiver oder pulverförmiger Form zugeführt und beim Verdüsen geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verdüsung thermische Energie durch Gasentladung oder durch chemische Verbrennung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gasentladung ein stromführenden Lichtbogen oder ein stromfreien Plasmastrahl (8) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Quenchungszone (4) die schmelzflüssigen Partikel mittels Fluidbeströmung (10, 11) zumindest bis zu ihrem Erstarrungspunkt abgekühlt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Quenchungszone eine berührungslose Formung der schmelzflüssigen Partikel zu mikrofeinen Fasern bzw. Filamenten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel zur Formung durch ein Magnetfeld geführt werden, das als statisches Feld oder als Wechselfeld ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld mit Magneten, die als Permanentmagneten oder als Elektromagneten (9) ausgebildet sind, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes bewegt werden, wobei die Bewegung insbesondere auf einer Kreisbahn erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete oder die Elektromagnete gekühlt werden.
Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern oder Filamente mit einem Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Verdüsungszone (2), eine Quenchungszone (4) und einen Sammelbereich (5) aufweist, wobei in der Verdüsungszone (2) eine Zuführeinrichtung für das Ausgangsmaterial (6) und eine Verdüsungseinrichtung (7) zum Einbringen thermischer und kinetischer Energie angeordnet sind und in der Quenchungszone (4) das in Form von schmelzflüssigen Partikeln in die Quenchungszone (4) eingebrachte Ausgangsmaterials (6) passiv oder aktiv abkühlbar ist, wobei im Sammelbereich (5) die zu Fasern oder Filamenten erstarrten Partikel sammelbar sind.
Vorrichtung nach einem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungseinrichtung (7) derartig ausgebildet ist, dass sie Partikel vom Ausgangsmaterial (6) abscheidet und gleichzeitig die Partikel in Richtung Quenchungszone (4) beschleunigt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungseinrichtung (7) als Lichtbogengenerator oder Plasmastrahlgenerator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungseinrichtung (7) als chemische Verbrennungseinrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Quenchungszone (4) ein insbesondere rohrförmiges Gehäuse (12) umfasst, in der die Partikel abkühlbar sind, die durch das Gehäuse (12) hindurchfliegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verdüsungszone (2) und der Quenchungszone (4) eine Formungszone (3) angeordnet ist, in der Magnete (9) zur Ausbildung eines Magnetfeldes angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (9) beweglich angeordnet sind und mit den Magneten (9) ein magnetisches Wechselfeld erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdüsungszone (2), die Quenchungszone (4) und gegebenenfalls die Formungszone (3) jeweils durch ein eigenständiges Modul gebildet ist, wobei die Module miteinander koppelbar sind.