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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mikrofeiner Fasern gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens gemäß Anspruch 13.
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Mikrofeine Fasern finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung. Als mikrofeine Fasern werden dabei Fasern angesehen, die eine Dicke von weniger als 50 µm, insbesondere von weniger als 10 µm bei Längen von mindestens 1 mm, insbesondere von mehr als 4 mm bis 10 mm aufweisen. Bei Fasern mit kreisförmigen Querschnitten entspricht die Dicke einem Durchmesser der Faser. Die Fasern weisen dabei ein Längen/Dicke (Durchmesser) -Verhältnis größer 1 auf. Als Ausgangsmaterial für die Fasern können dann je nach gewünschtem Verwendungszweck unterschiedliche elektrisch leitfähige Materialien ausgewählt werden, wobei sich insbesondere metallische Werkstoffe bzw. Legierungen anbieten.
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Metallische Fasern gewinnen 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.
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Darüber hinaus können mikrofeine Fasern beispielsweise in Bereichen der Katalyse und Energiespeicherung oder für Treibstoffzellen eingesetzt werden.
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Mit mechanischen Verfahren, also beispielsweise Umform-, Schneid- oder Scherprozessen lassen sich die gewünschten geringen Faserdicken kaum wirtschaftlich herstellen. Ferner eignen sich diese Verfahren üblicherweise nur für Fasern, deren Dicke größer als 20 µm ist.
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Es ist auch bekannt, 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.
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Aus
EP 1 008 407 B1 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Metallpulver in Kapseln durch Verdüsung von Schmelzen bekannt, wobei in flüssiger Form zugeführtes Metall mittels eines gasförmigen Mediums zu pulverförmigen Partikeln zerstäubt wird, die anschließend in einer schräg angeordneten Verdüsungskammer erstarren. Dabei wird durch die Schräglage der Verdüsungskammer ein langer Flugweg und damit eine lange Abkühlzeit erhalten. Eine Formung der Partikel erfolgt dabei nicht.
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In
AT 35 637 E ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Metall- und Halbmetallbändern beschrieben, wobei geschmolzener, aus einem Behälter ausströmender Werkstoff mittels einer Spritzdüse zu einem Band mit rechteckigen Querschnitt geformt wird. Anschließend wird das schmelzflüssige Band berührungslos geformt, indem es einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung mikrofeiner Fasern 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 reduziert und der Energiebedarf für die Herstellung der Fasern verringert werden. Damit soll eine kostengünstige Herstellung der Fasern ermöglicht werden.
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Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und Anspruch 13 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 12 und 14 bis 20.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung mikrofeiner Fasern aus einem schmelzbaren, elektrisch leitfähigen Ausgangsmaterial, das insbesondere kontinuierlich zugeführt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial in Form von schmelzflüssigen Partikeln durch eine Formungszone getrieben wird, in der eine berührungslose Formung der Partikel erfolgt.
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Die schmelzflüssigen Partikeln weisen an sich in der Regel bereits eine langgestreckte Form auf, in der sie in die Formungszone eingebracht werden. Durch die berührungslose Formung kann dabei ein Längen / Dickenverhältnis erhöht werden, also die Dicke weiter verringert werden. Die berührungslose Formung wirkt dabei der durch eine Oberflächenspannung des verwendeten Materials hervorgerufenen Kugelbildung entgegen, so dass sehr geringe Faserdicken erreichbar sind. Die Form der Partikel wird dadurch direkt nach Austritt aus der Verdüsungszone beeinflusst, so dass Fasern mit einer hohen Homogenität erhalten werden können. Beispielsweise können so 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.
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Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise stab- oder drahtförmig sein. Auch eine Zuführung in Pulverform oder bereits als Schmelze ist denkbar. Die schmelzflüssigen Partikel können dann durch Verdüsung vom Ausgangsmaterial abgetrennt und in Richtung Formungszone beschleunigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Partikel zur Formung durch ein Magnetfeld geführt, das als statisches Feld oder als Wechselfeld ausgebildet wird. Durch elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen den elektrisch leitfähigen Partikeln und dem Magnetfeld werden dabei Lorentzkräfte generiert, die zur Formung der Partikel genutzt werden. Dabei können Kräfte sowohl in Bewegungsrichtung als auch quer zur Bewegungsrichtung erzeugt werden. Dadurch kann eine effektive Formung der Fasern erfolgen. Gegenüber der Ausnutzung der elektrostatischen Wechselwirkungen ist damit ein höherer Durchsatz erreichbar. Dabei lässt sich ein Magnetfeld mit relativ geringem Aufwand bereitstellen.
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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.
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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. Dadurch können mikrofeine Fasern in den gewünschten Abmessungen sehr effektiv hergestellt werden.
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Das Magnetfeld wird vorteilhafterweise mit Permanentmagneten oder mit Elektromagneten erzeugt. Permanentmagnete erzeugen auch ohne zusätzlichen Energieeintrag ein Magnetfeld. Mit Elektromagneten, beispielsweise mit Spulen, die mit Gleichstrom betrieben werden, kann ein stabiles statisches Magnetfeld erzeugt werden. Darüber hinaus ist es mit Elektromagneten ist auch relativ einfach, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, in dem die Elektromagneten mit einer entsprechenden Frequenz angesteuert werden. Dabei sind Elektromagnete, mit denen verhältnismäßig starke Magnetfelder erzeugbar sind, relativ kostengünstig und eine Dicke des Magnetfeldes ist gut steuerbar. Im Folgenden wird zusammenfassend der Begriff Magnete verwendet, der dann sowohl Permanentmagnete als auch Elektromagnete umfasst. Die Magnetfelder können dabei homogen oder inhomogen ausgebildet werden.
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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.
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Vorzugsweise wird das Magnetfeld im Wesentlichen parallel zu den schmelzflüssigen Partikeln bewegt. Damit wirken auf die Partikel relativ starke Lorentzkräfte, die einer durch die Oberflächenspannung bedingten Kugelbildung der Partikel entgegenwirken. Dadurch können Fasern mit sehr geringer Dicke hergestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung 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. Durch die Bewegung auf einer Kreisbahn mit genügend großem Radius wird dabei eine Bewegung relativ zu den fliegenden Partikeln mit ausreichender Parallelität erreicht. Die Drehfrequenz und ein Abstand zwischen benachbarten Magneten einer Scheibe beeinflusst dabei das magnetische Wechselfeld.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Magnetfeld zwischen zwei drehbaren Scheiben ausgebildet wird, an denen Magnete angeordnet sind. Die magnetische Formung kann dabei auch als magnetisches Walzen bezeichnet werden. Damit lässt sich ein relativ starkes magnetisches Wechselfeld erzeugen, so dass hohe Kräfte zur Formung der schmelzflüssigen Partikel in Fasern mit geringer Faserdicke zur Verfügung stehen.
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Um eine zu starke Erwärmung der Magnete insbesondere über deren Curie - Temperatur, zu verhindern, können die Magnete gekühlt werden. Dies kann sowohl passiv durch entsprechende Kühlkörper oder auch durch eine aktive Kühlung, beispielsweise eine Wasserkühlung, realisiert werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Partikel nach der Formung in einer Quenchungszone passiv oder aktiv abgekühlt werden. Die durch die Formung erreichte Gestalt der schmelzflüssigen Partikel kann so fixiert werden, ohne dass durch Oberflächenkräfte eine Kugelbildung hervorgerufen wird. Dabei wird bei einer aktiven Kühlung mit Kälteüberschuss gekühlt, um eine schnellstmögliche, schlagartige Abkühlung zu erreichen. Die Zeit, in der die Oberflächenkräfte zur Kugelbildung wirken können, wird damit minimiert.
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Dabei können in der Quenchungszone die schmelzflüssigen Partikel mittels Fluidbeströmung zumindest bis zu ihrem Erstarrungspunkt abgekühlt werden. Zum Einsatz können dabei sowohl flüssige als auch gasförmige Fluide kommen. Dies reicht aus, um die in der Formung erreichte Gestalt zu fixieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Ausgangsmaterial in massiver oder pulverförmiger Form kontinuierlich zugeführt und in einer Verdüsungszone verdüst, wobei die schmelzflüssigen Partikel aus dem Ausgangsmaterial entstehen und in Richtung Formungszone beschleunigt werden. Es wird also gleichzeitig thermische und kinetische Energie eingebracht.
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Die schmelzflüssigen Partikel können so mit relativ geringem Energieaufwand bereitgestellt werden und gleichzeitig ausreichend beschleunigt werden, um mit hoher Geschwindigkeit durch die Formungszone und gegebenenfalls die Quenchungszone zu fliegen. Dabei ist eine kontinuierliche Produktion von Fasern möglich.
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Dabei wird der Verdüsung bevorzugterweise die thermische und kinetische Energie durch Gasentladung oder durch chemische Verbrennung zugeführt. Relativ viel Energie kann so sehr fokussiert in das Ausgangsmaterial eingebracht werden. Gleichzeitig wird kinetische Energie eingebracht und so ein Abtrennen der Partikel und ein Beschleunigen dieser Partikel erreicht.
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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.
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Bevorzugterweise wird bei der Gasentladung ein stromführender Lichtbogen oder ein stromfreier Plasmastrahl eingesetzt. Dadurch kann sehr viel Energie in einen sehr kleinen Bereich eingebracht werden und damit ein effizientes Abschmelzen der Partikel erfolgen. Ein Plasmastrahl kann beispielsweise eine Temperatur über 5.000 Kelvin aufweisen und Geschwindigkeiten über 800 m/s erreichen. Durch diese hohen Temperaturen werden die Partikel vom Ausgangsmaterial abgeschmolzen und durch die Geschwindigkeit des Plasmastrahls in schmelzflüssiger Form weggerissen.
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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.
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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.
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Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern mit einem oben beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einer Formungszone eine Formungseinrichtung zur berührungslosen Formung schmelzflüssiger Partikel angeordnet ist.
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Mit Hilfe einer derartigen Formungseinrichtung können schmelzflüssige Partikel ohne Materialverschleiß geformt werden. Dabei kann durch die Formung eine Kugelbildung, die durch Oberflächenspannungen hervorgerufen wird, verhindert werden. Die schmelzflüssigen Partikel können so zu Fasern mit einer Dicke von weniger als 50 µm, insbesondere von weniger als 20 µm oder sogar von weniger als 10 µm bei einer Länge von mehr als 1 mm, insbesondere von 4, 5 oder 6 mm, geformt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Formungseinrichtung Magnete zur Ausbildung eines Magnetfeldes auf, wobei die Magnete als Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sind. Durch eine Relativbewegung zwischen Partikeln und Magnetfeld wirken auf die ein elektrisch leitfähiges, insbesondere metallisches Material aufweisenden Partikel unter anderem Lorentzkräfte, die einer Kugelbildung entgegenwirken und eine Formung der Partikel zu einer Faserform bewirken. Lorentzkräfte können alternativ oder zusätzlich durch Induzieren elektrischer Wechselströme in die Partikel erzeugt werden, die mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung treten. Dafür ist ein als magnetisches Wechselfeld ausgebildetes Magnetfeld erforderlich. Ein Magnetfeld lässt sich in jedem Fall mit relativ geringem Aufwand bereitstellen und mit hoher Zuverlässigkeit betreiben.
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Vorzugsweise sind die Permanentmagnete beweglich angeordnet, wobei durch die Bewegung eine Verstärkung der Relativbewegung zwischen Partikeln und Magnetfeld bzw. ein magnetisches Wechselfeld in der Formungszone erzeugbar ist. Durch ein magnetisches Wechselfeld, das insbesondere parallel zu den Partikeln bewegbar ist, lassen sich die auf die Partikel wirkenden Kräfte noch verstärken und so geringere Faserdicken erreichen. Durch eine Bewegung der Magnete lässt sich dabei das magnetische Wechselfeld nicht nur mit entsprechend nacheinander angesteuerten Elektromagneten, sondern auch mit Permanentmagneten erzeugen.
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Dabei können die Permanentmagnete auf zwei gegenüberliegenden, rotierbaren Scheiben angeordnet sein, wobei das Magnetfeld zwischen den Scheiben ausgebildet ist. Dies stellt eine relativ einfache Ausgestaltung dar, wobei eine ausreichende Parallelität zwischen der Bewegungsbahn der Magnete und der Flugbahn der Partikel durch Wahl eines genügend großen Durchmessers der Scheiben erreichbar ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist in Bewegungsrichtung der Partikel vor der Formungszone eine Verdüsungszone mit einer Verdüsungseinrichtung angeordnet, die derartig ausgebildet ist, dass sie schmelzflüssige Partikel vom Ausgangsmaterial abscheidet und gleichzeitig die Partikel in Richtung Formungszone beschleunigt. Die Verdüsungseinrichtung dient also dazu, gleichzeitig thermische und kinetische Energie in das Ausgangsmaterial einzubringen. Das Ausgangsmaterial kann dann in fester oder pulverförmiger Form zugeführt werden. In der Verdüsungszone erfolgen dann ein Abschmelzen der Partikel und gleichzeitig eine Beschleunigung der Partikel, die dann in Richtung Formungseinrichtung beschleunigt werden.
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Bevorzugterweise ist die Verdüsungseinrichtung als Lichtbogengenerator oder Plasmastrahlgenerator ausgebildet. Damit ist es möglich, sehr viel Energie in einen sehr konzentrierten Bereich einzubringen. Das Abschmelzen der Partikel kann so energieeffizient erfolgen. Dabei kann gegebenenfalls auf eine Kühlung der Zuführeinrichtung und/oder der Umgebung verzichtet werden. Beispielsweise kann der Plasmastrahlgenerator einen Plasmastrahl mit einer Temperatur von über 5.000 Kelvin erzeugen, der eine Strömungsgeschwindigkeit von über 800 m/s hat. Dadurch werden die abgeschmolzenen Partikel vom Ausgangsmaterial weggerissen und fliegen ohne weitere Maßnahmen durch die Formungszone und gegebenenfalls die Quenchungszone bis in einen Sammelbereich.
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Beim Plasmastrahlgeneratorwird 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 dafür in der Regel drahtförmig zugeführt wird, elektrisch kontaktiert und mittels Lichtbogen abgeschmolzen, wobei ein überlagerter Gasstrom die Partikel aus der Schmelze auslöst und in Richtung Quenchungszone beschleunigt.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist die Verdüsungseinrichtung als chemische Verbrennungseinrichtung ausgebildet. Die Verdüsungseinrichtung ist dabei beispielsweise ähnlich wie ein Autogen-Schweißbrenner oder wie ein Flammspritzgerät ausgebildet. Es kann sich also um eine autogene Verbrennungseinrichtung handeln. Die Prozessstoffe strömen auch dabei mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit, um die vom Ausgangsmaterial abgeschmolzenen Partikel mitzureißen und in Richtung Formungseinrichtung zu beschleunigen.
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Vorteilhafterweise umfasst die Quenchungszone ein insbesondere rohrförmiges Gehäuse, in dem eine aktive oder passive 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 zum einen Partikel aufgefangen werden, die von der gewünschten Bewegungsrichtung abweisen und zum anderen der Bereich, in dem die Abkühlung erfolgt, umgrenzt werden. Ferner erfolgt durch das Gehäuse eine thermische Isolierung, sodass bei aktiver Kühlung die eingebrachte Kälte im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses verbleibt und nicht zu einer starken, ungewollten Abkühlung außerhalb der Quenchungszone führt. Die Effizienz des Verfahrens wird damit gesteigert.
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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.
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Vorteilhafterweise sind die Verdüsungszone, die Quenchungszone und gegebenenfalls die Formungszone jeweils durch ein eigenständiges Modul gebildet, wobei die Module miteinander koppelbar sind. Dadurch kann eine einfache Anpassung an unterschiedliche Ausgangsmaterialien erfolgen. Im Falle einer Reparatur ist auch ein einfacher Austausch eines Moduls möglich, wodurch Stillstandszeiten minimiert werden.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
- Die einzige Figur einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung mikrofeiner Fasern.
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In der einzigen Figur ist eine Vorrichtung 1 zur Herstellung mikrofeiner Fasern aus einem schmelzbaren, elektrisch leitfähigen Ausgangsmaterial dargestellt. Als Ausgangsmaterial eignen sich insbesondere metallische Werkstoffe und deren Legierungen, die beispielsweise in Pulverform, stabförmig oder als Draht zugeführt werden. 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.
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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. 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.
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In der Formungszone 3 erfolgt in einer Formungseinrichtung eine berührungslose Formung der schmelzflüssigen Partikel. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Formungseinrichtung Magneten 9 auf, die als Elektromagnete ausgebildet sind. Mit Hilfe der Magnete 9 wird 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.
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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.
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Bevor eine allmähliche Abkühlung der schmelzflüssigen Partikel auftritt, gelangen diese in die Quenchungszone 4, in der bei diesem Ausführungsbeispiel eine schlagartige, aktive Abkühlung durch Einbringen von Kälte mit hohem Überschuss 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.
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Andere geeignete Fluide können aber ebenfalls in gasförmiger oder auch in flüssiger Form verwendet werden.
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In der Quenchungszone 4 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 Erstarrungspunkt zu erreichen.
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An die Formungszone 4 schließt sich der Sammelbereich 5 an, der beispielsweise eine Auffangeinrichtung 16 umfasst, in der die Fasern 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.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das elektrisch leitfähige, insbesondere metallische Ausgangsmaterial 6 in Form von schmelzflüssigen Partikeln in eine Formungszone mit einer Formungseinrichtung gebracht, in der eine berührungslose Formung der Partikel erfolgt. Dadurch können die Partikel zu Fasern mit einer Dicke von weniger als 50 µm, insbesondere von weniger als 10 oder 5 µm umgeformt werden. Durch den Einsatz einer Quenchungszone 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. Die Ausbeute an Fasern mit der gewünschten, geringen Dicke wird dadurch erhöht.
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Eine vollständige Anlage wird durch das Vorsehen einer Verdüsungszone erhalten, wobei dort mit Hilfe der Verdüsungseinrichtung 7 das Ausgangsmaterial gegebenenfalls geschmolzen wird und schmelzflüssige Partikel abgespalten und in Richtung Quenchungszone 4 beschleunigt werden. Die Verdüsungseinrichtung kann dabei derartig ausgebildet sein, dass gleichzeitig thermische und kinetische Energie in das Ausgangsmaterial eingebracht wird, so dass dieses nicht nur geschmolzen wird, sondern gleichzeitig auch schmelzflüssige Partikel abgetrennt und in Richtung Formungszone beschleunigt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine sehr effiziente Herstellung von mikrofeinen Fasern 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.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
