DE102022103194A1

DE102022103194A1 - Glasfaserherstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102022103194A1
Application number: DE102022103194.2A
Authority: DE
Inventors: Thilo Becker; Markus Haag; Thomas Gries
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2022-02-10
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2023-08-10
Also published as: WO2023152027A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Glasfaser, insbesondere ausgebildet als Verstärkungsfaser für Kunststoffe. Das Verfahren weist einen Schritt eines Erzeugens (40) einer Rohfaser (14) aus einer Glasschmelze (16) auf. Das Verfahren weist einen Schritt eines Auftragens (42) einer Schlichtenflüssigkeit (24) auf die erzeugte Rohfaser (14) auf. Zudem weist das Verfahren einen Schritt eines Trocknens (46) der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit (24) mittels durch eine Infrarottrocknungsvorrichtung (30) erzeugter Infrarotstrahlung auf, wobei das Trocknen (46) insbesondere inline erfolgt. Zudem betrifft die Erfindung eine Glasfaser und eine Fertigungsanlage (10).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Glasfaser, insbesondere ausgebildet als Verstärkungsfaser für Kunststoffe. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Glasfaser und eine Fertigungsanlage.
Stand der Technik
Glasfasern sind weltweit verbreitete Verstärkungsfasern. Die Hauptanwendung für diese Glasfasern sind Faserverbundwerkstoffe, bei denen die Glasfasern in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Typische Anwendungsgebiete sind Flügel von Windkraftanlagen, im Bootsbau oder auch bei Sportgeräten wie Surfbrettern.
Um eine ausreichende Verbindung zwischen jeweiligen Glasfasern und der Kunststoffmatrix zu erzielen, weisen die Glasfasern eine Schlichte auf. Dabei handelt es sich um eine Beschichtung, welche die Grenzflächenbindung fördert. Beispielsweise weist die Schlichte Silane als Haftervermittler, Filmbildner und Schmierstoffe auf. Die Schlichte wird während des Herstellungsprozesses auf die Fasern aufgetragen und anschließend getrocknet, beispielsweise in einem Heißluft- oder Hochfrequenzofen. Insbesondere bei der Herstellung von Endlosfasern welche aufgewickelt werden, ist die Verteilung der Schlichte entlang der Glasfaser nicht homogen. Zum einen drücken Fliehkräfte die Schlichte in jeweilige äußeren Lagen. Zum anderen werden die festen Bestandteile der Schlichte teilweise durch austretenden Wasserdampf während der Trocknung von jeweiligen inneren in die äußeren Lagen der Spule befördert. Dadurch ergibt sich eine ungleichmäßige Verteilung der Schlichte entlang der Glasfaser.
Die Hochfrequenztrocknung kann zwar einen schnellen Trockenvorgang ermöglichen, beispielsweise von unter einer Stunde. Temperaturen für die Vernetzung von bestimmen Schlichtesystemen, beispielsweise von bis zu 160°C, sind mit der Hochfrequenztrocknung jedoch nicht erreichbar. Die Heißlufttrocknung bzw. Konvektionstrocknung ist dagegen deutlich zeit- und energieintensiver.
In der US 3,933,456 A ist ein Konvektionstrocknungsverfahren beschrieben, bei welcher ein Luftstrom auf jeweilige Fasern zu deren Trocknung gerichtet wird. Dieser Trocknungsart ist jedoch energieineffizient und eine vollständige Trocknung zu erzielen ist schwierig. Zudem senken die Luftturbulenzen die Zuverlässigkeit des Verfahrens.
In der EP 2 445 714 A1 und EP 2 861 657 A1 ist jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines Prepregs beschrieben, bei welchem die Fasern des Prepregs und ein Harz zur Imprägnierung mittels eines Infrarotheizers erwärmt werden. Dadurch wird die Viskosität des Harzes reduziert, um die Imprägnierung zu fördern. Im Anschluss erfolgt eine Kühlung, um das Harz durch Senken der Viskosität zu verfestigen. Weder die Herstellung von Glasfasern noch eine Trocknung einer Flüssigkeit sind in der EP 2 445 714 A1 und EP 2 861 657 A1 beschrieben.
Darstellung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen einer Glasfaser. Die Glasfaser kann beispielsweise als Monofilament hergestellt werden. Die Glasfaser kann beispielsweise in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt werden, insbesondere in einem Ziehverfahren. Durch den Prozess können auch eine Vielzahl von Glasfasern simultan hergestellt werden. Die Glasfaser kann als Verstärkungsfaser für Kunststoffe ausgebildet sein. Ein Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise die hergestellte Glasfaser und eine Kunststoffmatrix aufweisen, in welcher jeweilige Glasfasern eingebettet sind. Die als Verstärkungsfaser ausgebildet Glasfaser kann für eine bessere Verbindung mit der Kunststoffmatrix behandelt sein und/oder einen geeigneten Durchmesser aufweisen.
Das Verfahren weist einen Schritt eines Erzeugens einer Rohfaser aus einer Glasschmelze auf. Das Erzeugen kann beispielsweise ein Abziehen der Rohfaser aus einer Düse aufweisen. Das Abziehen kann beispielsweise durch eine Abzugswalze oder durch einen Spulkopf einer Wickelvorrichtung erfolgen, auf welchen die Glasfaser aufgewickelt wird. Je nach Abziehgeschwindigkeit und Düsendurchmesser kann ein Durchmesser der erzeugten Rohfaser eingestellt werden.
Die Rohfaser wird kann beispielsweise hauptsächlich Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Bortrioxid und Calciumoxid aufweisen. Auch andere Zusammensetzungen sind möglich. Beispielsweise kann die Rohfaser auch andere Oxide, wie Zirkonoxid oder Alkalioxide, aufweisen. Die Rohfaser kann beispielsweise auch als eine Basaltfaser ausgebildet sein. Die Glasfaser kann ein amorphen Feststoff aufweisen. Die Glasfaser ist beispielsweise eine anorganische Glasfaser, insbesondere eine Silikatglasfaser. Die Rohfaser kann ein Zwischenprodukt in dem Herstellverfahren sein. Die Rohfaser kann beispielsweise bereits eine Filamentform aufweisen. Die Rohfaser kann aber noch nicht alle gewünschten Eigenschaften der herzustellenden finalen Glasfaser aufweisen. Insbesondere kann eine Oberflächenbehandlung fehlen.
Das Verfahren weist einen Schritt eines Auftragens einer Schlichtenflüssigkeit auf die erzeugte Rohfaser auf. Die Schlichtenflüssigkeit weist nichtflüchtige Bestandteile auf, beispielsweise wenigstens mehr als 0,5% nichtflüchtige Bestandteile. Typischerweise weist die Schlichtenflüssigkeit 3% bis 20% nichtflüchtige Bestandteile, insbesondere 5% bis 15% nichtflüchtige Bestandteile, auf. Typischerweise hat die Schlichtenflüssigkeit eine Wasserbasis und weist beispielsweise mehr als 80% Wasser auf, insbesondere mehr als 90%. Durch ein Trocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit wird eine Schlichte auf der Rohfaser hinterlassen. Diese kann die Rohfaser beispielsweise vollständig oder auch nur teilweise entlang deren Umfangs einhüllen. Die Schlichtenflüssigkeit kann die Rohfaser während des Herstellprozesses schützen und eine Reibung zwischen jeweiligen Rohfasern und auch mit Fertigungsanlagenteilen reduzieren. Beispielsweise kann die Schlichtenflüssigkeit verhindern, dass sich mehrere gebündelte Fasern aneinander zerreiben. Die getrocknete Schlichtenflüssigkeit kann jeweilige Fasern auch nach Ende des Fertigungsprozesses schützen, beispielsweise bei einer Lagerung und/oder Weiterverarbeitung. Die Schlichtenflüssigkeit kann ein Biozid und Fungizid enthalten und/oder einen PH-Wert abweichend von 7 aufweisen. Die Schlichtenflüssigkeit kann einen Haftvermittler für einen Kunststoff bereitstellen, insbesondere nach einer Vernetzung. Die Schlichtenflüssigkeit kann beispielsweise mittels einer Walze, insbesondere einer Graphitwalze, Edelstahlwalze oder einer mit Keramik beschichteten Walze, auf jeweilige damit kontaktierte Rohfasern aufgetragen werden. Alternativ kann die Schlichtenflüssigkeit beispielsweise auch durch einen Sprühnebel oder Schaum aufgetragen werden, durch welchen die jeweiligen Rohfasern gezogen werden.
Das Verfahren weist einen Schritt eines Trocknens der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit auf. Durch das Trocknen werden die flüchtigen Bestandteile der Schlichtenflüssigkeit, also beispielsweise Wasser, von der Rohfaser entfernt. Durch das Trocknen wird eine mit den nichtflüchtigen Bestandteilen der Schlichtenflüssigkeit beschichtete Glasfaser erzeugt. Durch das Trocknen kann die hergestellte Glasfaser einen Glasfaserkern und einen Mantel aus getrockneter Schlichtenflüssigkeit aufweisen. Der Mantel aus getrockneter Schlichtenflüssigkeit kann eine Schlichte der Glasfaser bilden. Die nichtflüchtigen Bestandteile der Schlichtenflüssigkeit können den Glasfaserkern vollständig oder teilweise entlang dessen Umfangs einhüllen. Beispielsweise wird die Schlichtenflüssigkeit, insbesondere deren nichtflüchtigen Bestandteile, auf mehr als 100° C erhitzt. Eine Trocknungstemperatur kann beispielsweise bis zu 160°C betragen. Der Glasfaserkern kann der Rohfaser entsprechen. Die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit kann aber auch eine Wechselwirkung mit der Rohfaser haben, wodurch auch eine Zusammensetzung und/oder eine Beschaffenheit des Glasanteils verändert werden kann.
Das Trocknen erfolgt mittels durch eine Infrarottrocknungsvorrichtung erzeugter Infrarotstrahlung. Die Infrarottrocknungsvorrichtung weist beispielsweise eine Strahlungsquelle, insbesondere in Form einer Infrarotlampe, auf. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise gezielt Infrarotstrahlung auf die aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit abstrahlen. Die Infrarottrocknungsvorrichtung gibt beispielsweise einen großen Anteil, insbesondere nahezu deren komplette abgestrahlte Leistung mit einem Spektrum von 0,1 bis 10 µm ab. Die Infrarotstrahlung ist beispielsweise deutlich stärker als eine übliche Hintergrundinfrarotstrahlung in jeweiligen Glasfaserfertigungsanlagen. Beispielsweise wird der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit mindestens 50% der Wärme beim Trocknen durch Infrarotstrahlung zugeführt, vorzugsweise mehr als 75%.
Die Trocknung mittels Infrarotstrahlung ist besonders effizient, da die Infrarotstrahlung auf die Fasern ausgerichtet werden kann. Teile der Fertigungsanlage und der Umgebung werden nur wenig erwärmt. Das Herstellverfahren benötigt so besonders wenig Energie. Zudem ist das Verfahren so besonders schnell. Eine vollständige Trocknung kann bereits beim Vorbeilaufen an der Trocknungsvorrichtung mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 300 m/min bis 4000 m/min erfolgen. Ein aufgewickeltes Glasfilament muss beispielsweise nicht in einen Ofen transportiert werden und dieser Ofen energieintensiv auf Temperatur gehalten werden oder für jeden Trocknungsvorgang aufgeheizt werden. In einem konventionellen Ofen zur Trocknung der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit kann die Trocknung mehrere Stunden dauern und beispielsweise ungefähr 10% des gesamten Energiebedarfs der Glasfaserherstellung benötigten. Die Trocknung mittels Infrarotstrahlung erlaubt ein einfaches und kontaktfreies Trocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess. Beispielsweise können die jeweiligen Fasern durch die Trocknungsvorrichtung gezogen werden oder daran vorbei, bevor diese aufgewickelt werden. Es wird keine zusätzliche Luftverwirbelung in die Fertigungsanlage eingebracht. Zudem kann, beispielsweise im Gegensatz zu einem Hochfrequenzofen, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit, insbesondere deren nichtflüchtigen Bestandteile, auf über 100°C erhitzt werden, ohne dass hohe, die Fasern oder sogar eine Wickelvorrichtung potenziell beschädigende Dampfdrücke entstehen. So kann beispielsweise problemlos eine Vernetzung bei Bestandteilen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit bewirkt werden. Zudem kann die Infrarotstrahlung von der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit größtenteils absorbiert werden. Dagegen können bei einer Trocknung in einem konventionellen Ofen einer bereits aufgewickelten Faser äußere Lagen bereits thermisch beschädigt werden, noch bevor innere Lagen vollständig getrocknet sind.
In einer Ausführungsform erfolgt das Trocknen inline. Inline kann bedeuten, dass das Trocknen kontinuierlich erfolgt. Beispielsweise kann das Trocknen während eines anderen Prozessschrittes des Herstellens der Glasfaser oder zwischen zwei Prozessschritten erfolgen. Insbesondere kann das Trocknen noch vor einem Sammeln der Glasfaser, beispielsweise bei einem Aufwickeln, erfolgen. Inline Trocknen kann bedeuten, dass die Faser bei dem Trocknen weiter durch die Fertigungsanlage bewegt wird, beispielsweise mit der Abziehgeschwindigkeit der Rohfaser. Das Verfahren kann einen Schritt eines Sammeln der Glasfaser, insbesondere in Form eines oder mehrerer aufgewickelter Glasfilamente, nach dem Trocknen aufweisen. Anschließend können jeweilige Glasfilamente beispielsweise abgelegt werden, Insbesondere aufgewickelt auf einer Spule oder einem Kern.
Das inline Trocknen weist eine besondere Synergie mit dem Infrarottrocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit auf. Es kann eine schnelle Trocknung mit im Vergleich zu anderen Trocknungsverfahren reduziertem Energieaufwand erzielt werden. Im Vergleich zu einer Trocknung nach dem Sammeln kann zudem eine unerwünscht ungleichmäßige Verteilung der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit und insbesondere der nichtflüchtigen an dem Glasfaserkern anhaftenden Bestandteile vermieden werden. Bei aufgewickelten Fasern wirken jeweilige äußere Faserlagen als thermische Isolatoren, wodurch eine entsprechend Lange Trocknungszeit bedingt wird. Beispielsweise kann beim Aufwickeln jeweiliger Fasern eine Konzentration der Schlichtenflüssigkeit in den äußeren Lagen zudem zu hoch und in jeweiligen inneren Lagen zu gering sein. Durch das Aufwickeln können Kapillarkräfte und/oder eine Dampfbewegung bei den nassen Fasern eine Migration der Schlichtenflüssigkeit in die äußeren Lagen bewirken. Auch jeweilige Fliehkräfte können beim Aufwickeln eine noch nicht getrocknete aufgetragene Schlichtenflüssigkeit nach außen drücken. Diese Effekte werden durch das inline Trocknen stark reduziert oder sogar gänzlich vermieden. Bei kommerziellen Faserspulen können innere Lagen beispielsweise 0,85 Gewichts-% Schlichtenflüssigkeitsanteile aufweisen und äußere Lagen beispielsweise mehr als 3,5 Gewichts-% Schlichtenflüssigkeitsanteile. Entsprechend ist es bei der kommerziellen Glasfaserherstellung üblich, von aufgewickelten Glasfilamenten jeweilige Enden abzutrennen und als Ausschuss zu behandeln. Dieser Ausschussanteil kann durch das inline Infrarottrocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit drastisch reduziert werden.
Als Endprodukt des Verfahrens kann beispielsweise ein Glasfaserfilament, ein Spinnkuchen oder ein Roving erzeugt werden. Das Verfahren kann auch ein Konfektionieren der Glasfaser in eine gewünschte Länge aufweisen, insbesondere nach dem Trocknen. Jeweilige Glasfasern können beispielsweise auch als Matten oder Kurzglasfasern bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Erzeugen ein Erzeugen mehrerer Rohfasern simultan aufweist. Mehrere Rohfasern werden beispielsweise aus einem Bushing mit einer Vielzahl von Düsen parallel abgezogen. Die Rohfasern können aus einer einzigen Glasschmelze oder auch aus unterschiedlichen Schmelzen stammen.
Das Verfahren kann zudem einen Schritt eines Bündelns der Rohfasern zu einem Faserbündel vor oder nach dem Auftragen der Schlichtenflüssigkeit aufweisen. Beispielsweise kann das Bündeln mittels eines Sammelschuhs erfolgen, an welchem die Fasern vorbei oder durch welchen die Fasern hindurch gezogen werden. Das Bündeln vor dem Auftragen der Schlichtenflüssigkeit kann fertigungstechnisch einfach sein und eine Wahrscheinlichkeit von Faserbrüchen senken. Das Bündeln nach dem Auftragen der Schlichtenflüssigkeit vereinfacht ein homogenes Auftragen der Schlichtenflüssigkeit auf die jeweiligen Rohfasern. Die Faserbündel können bei den übrigen Verfahrensschritten wie einzelne Fasern behandelt werden. Sofern also beispielsweise vom Aufwickeln, Trocknen und/oder Schneiden von einer Faser gesprochen wird, sind immer auch Faserbündel mitgemeint, sofern technisch möglich. Durch das Bündeln können beispielsweise Rovings oder Garne bereitgestellt werden.
Das Trocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung kann nach dem Bündeln erfolgen. Dadurch können die jeweiligen einzelnen Fasern durch nichtflüchtige Bestandteile der Schlichtenflüssigkeit miteinander verbunden werden. So können durch Trocknung verbundene Rovings und/oder Garne hergestellt werden.
Alternativ kann das Trocknen auch vor dem Bündeln erfolgen. Dadurch ist ein besonders gleichmäßiges Trocknen möglich und eine radiale Flüssigkeitsmigration im Faserbündel kann vermieden werden. Zudem können in weiteren Fertigungsschritten, beispielsweise durch ein Schneiden, ein Bündel so leicht wieder in einzelne Fasern zerlegt werden.
Eine weitere Alternative ist, vor dem Trocknen nur teilweise zu bündeln. Nach dem Trocknen kann dann ein vollständiges Bündeln erfolgen. Dadurch ist ein teilweises Verbinden wenigstens einiger Fasern durch nichtflüchtige Bestandteile der Schlichtenflüssigkeit möglich. Zudem kann ein recht gleichmäßiges und schnelles Trocknen ohne übermäßige Flüssigkeitsmigration ermöglicht werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner einen Schritt eines Aufwickelns der Glasfaser aufweist. Dadurch kann die Glasfaser einfach für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt werden. Das Trocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung kann beispielsweise vor und/oder bei dem Aufwickeln erfolgt. Das Trocknen bei dem Aufwickeln ermöglicht eine einfache und platzsparende Integration der Infrarottrocknungsvorrichtung in die Fertigungsanlage. Zudem kann so die Infrarotstrahlung zusätzlich jeweilige Glasfasern auf einer Spule noch nachtrocknen, wodurch das Verfahren besonders energieeffizient ist. Das Trocknen vor dem Aufwickeln ermöglicht den Trocknungsvorgang besonders präzise zu steuern. Die Infrarottrocknungsvorrichtung kann auch mehrere Trockner aufweisen, beispielsweise in der Form mehrere Infrarotstrahlungsquellen, und beispielsweise vor und bei dem Aufwickeln trocknen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner einen Schritt eines Kühlens der Rohfaser nach deren Erzeugung aus der Glasschmelze aufweist, insbesondere mittels eines Wassersprays. Dadurch können die jeweiligen Fasern in deren Form stabilisiert werden. Das Auftragen der Schlichtenflüssigkeit auf die erzeugte Rohfaser kann nach dem Kühlen erfolgen. Dadurch kann ein unerwünschtes ungesteuertes Aufwärmen der Schlichtenflüssigkeit durch noch heiße Rohfasern und/oder ein unerwünschtes ungesteuertes Abkühlen der Rohfasern durch die Schlichtenflüssigkeit vermieden werden. Das Trocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung kann nach dem Kühlen erfolgen. Dadurch kann ein verhindert werden, dass das Trocknen das Erstarren der Rohfaser behindert.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner einen Schritt eines Schneidens der erzeugten Glasfaser nach dem Trocknen der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung aufweist, um Kurzglasfaser zu erzeugen. Statt Endlosglasfasern kann das Verfahren also auch Fasern mit begrenzter Länge herstellen. Das Schneiden kann beispielsweise durch Brechen oder auch durch ein rotierendes Messer erfolgen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass bei dem Verfahren Rohfasern mit einem Durchmesser von höchstens 50 µm, insbesondere von 35 µm oder weniger, erzeugt werden. Der Durchmesser kann eine Dicke der jeweiligen Rohfasern sein. Beispielsweise kann der Durchmesser der erzeugten Rohfasern 3 bis 50 µm betragen. Die endgültig hergestellte Glasfaser kann die gleiche Dicke aufweisen oder aufgrund der nichtflüchtigen Bestandteile der Schlichtenflüssigkeit, welche auf dem Glasfaserkern nach dem Trocknen anhaften, geringfügig dicker sein. Durch einen solchen Durchmesser ist die Glasfaser besonders geeignet als Verstärkungsfaser für Kunststoffe. Eine Abzugsgeschwindigkeit der Rohfaser kann bei dem Erzeugen der Rohfaser beispielsweise 300 m/min. bis 4000 m/min. betragen, typischerweise 1000 m/min. bis 2000 m/min.. Ein Düsendurchmesser zum Erzeugen der Rohfaser kann bei dem Verfahren beispielsweise wenigstens 0,8 mm, insbesondere mindestens 1 mm betragen. Der Düsendurchmesser zum Erzeugen der Rohfaser kann beispielsweise höchstens 4 mm, insbesondere höchstens 3,5 mm betragen. Ein typischer Düsendurchmesser ist beispielsweise 2 mm. Durch den Düsendurchmesser und die Abzugsgeschwindigkeit kann die Dicke der Rohfasern vorgegeben werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Glasfaser. Die Glasfaser kann mittels des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt hergestellt sein. Entsprechende Merkmale und Vorteile des ersten Aspekts bilden auch Merkmale und Vorteile des zweiten Aspekts und umgekehrt.
Die Glasfaser kann insbesondere als Verstärkungsfaser für Kunststoffe ausgebildet sein. Die Glasfaser kann Teil eines Faserbündels sein und/oder als Filament ausgebildet sein. Ein Filament kann eine Endlosfaser sein. Die Glasfaser kann als Teil eines Rovings ausgebildet sein. Die Glasfaser weist einen Glaskern auf, welcher aus einer Glasschmelze erzeugt wurde, beispielsweise in einem Spinnverfahren. Die Glasfaser weist eine auf dem Glaskern angeordnete Schlichte auf. Die Schlichte wurde durch Trocknen einer Schlichtenflüssigkeit auf dem Glaskern erzeugt. Die Trocknung erfolgte dabei mittels durch eine Infrarottrocknungsvorrichtung erzeugte Infrarotstrahlung. Die Trocknung mittels Infrarotstrahlung ist beispielsweise gegenüber einer diskontinuierlichen Trocknung in einem Ofen, beispielsweise nach dem Aufwickeln, durch eine wesentlich homogenere Schlichtenverteilung, insbesondere Schlichtendicke, entlang der Glasfaser zu erkennen. Die Trocknung mittels Infrarotstrahlung ist gegenüber einer Trocknung mittels eines Hochfrequenzofens in der Schlichte nachweisbar, da diese beispielsweise auf über 100°C erwärmt wurde und eine Reaktion erfolgt sein kann, insbesondere eine Vernetzung. Auch gegenüber weniger üblichen Trocknungsverfahren ist die Trocknung mittels Infrarotstrahlung an der Glasfaser nachweisbar. Beispielsweise kann die Schlichte in Umfangsrichtung der Glasfaser ungleichmäßig verteilt sein, wenn mittels Konvektion getrocknet wurde. Beispielsweise kann die Schlichte entlang eines Mantels der Glasfaser so unterschiedliche Dicken aufweisen. Die Infrarotstrahlung selbst kann auch in der Schlichte nachweisbar sein, beispielsweise durch veränderte nichtflüchtige Bestandteile einer Schlichtenflüssigkeit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung der Glasfaser gemäß dem zweiten Aspekt und/oder einer Glasfaser, welche mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt hergestellt wurde, als Verstärkungsfaser in einem Kunststoff. Ebenso betrifft ein Aspekt der Erfindung einen Verbundwerkstoff mit einer Kunststoffmatrix und einer Glasfaserverstärkung, wobei die Glasfaserverstärkung eine Glasfaser gemäß dem zweiten Aspekt ist und/oder eine Glasfaser aufweist, welche mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt hergestellt wurde. Jeweilige Glasfasern der Glasfaserverstärkung können in der Kunststoffmatrix eingebettet sein. Jeweilige Merkmale und Vorteile des ersten und des zweiten Aspekts bilden auch Merkmale und Vorteile dieser Aspekte und umgekehrt.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Fertigungsanlage zum Herstellen einer Glasfaser. Die Fertigungsanlage kann zum Herstellen der Glasfaser gemäß dem zweiten Aspekt und/oder zum Durchführen des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet sein. Entsprechende Merkmale und Vorteile des ersten und des zweiten Aspekts bilden auch Merkmale und Vorteile des dritten Aspekts und umgekehrt. Die Fertigungsanlage ist beispielsweise für die Glasfaserherstellung in einem Ziehverfahren ausgebildet.
Die Fertigungsanlage weist eine Rohfaserzeugungsvorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Rohfaser aus einer Glasschmelze zu erzeugen. Die Fertigungsanlage weist dazu ein oder mehrere Düsen auf, welche beispielsweise in einem Bushing angeordnet sind. Die Rohfaserzeugungsvorrichtung kann eine Schmelzwanne aufweisen, in welcher die Glasschmelze aufgenommen werden kann. Die Rohfaserzeugungsvorrichtung kann eine Schmelzvorrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, die Glasschmelze herzustellen. Die Rohfaserzeugungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Rohfaser in einem Ziehverfahren herzustellen. Die Rohfaserzeugungsvorrichtung kann eine Abzugsvorrichtung aufweisen, um die Rohfaser durch die Düse aus der Glasschmelze abzuziehen. Die Abzugsvorrichtung kann beispielsweise eine Abzugswalze aufweisen. Alternativ kann das Abziehen auch durch eine Wickelvorrichtung bewirkt werden.
Die Fertigungsanlage weist eine Auftragungsvorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Schlichtenflüssigkeit auf die erzeugte Rohfaser aufzutragen. Die Auftragungsvorrichtung kann beispielsweise eine Graphitwalze aufweisen, welche an allen erzeugten Rohfasern abrollt. Die Walze kann in ein Schlichtenflüssigkeitsreservoir eingetaucht angeordnet sein. Die Auftragungsvorrichtung kann ein Aufnahmebehälter zum Aufnehmen des Schlichtenflüssigkeitsreservoirs aufweisen.
Die Fertigungsanlage kann eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der erzeugten Rohfaser vor dem Auftragen der Schlichtenflüssigkeit aufweisen. Die Kühlvorrichtung kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, die Rohfaser mit Wasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit zu besprühen. Auch ein Kühlen mittels eines Luftstroms ist beispielsweise möglich. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlvorrichtung noch passive Kühlelemente aufweisen, wie Kühlrippen angeordnet zwischen und/oder neben jeweiligen Fasern.
Die Fertigungsanlage weist eine Infrarottrocknungsvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung zu trocknen. Insbesondere kann die Infrarottrocknungsvorrichtung dazu ausgebildet sein, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung inline zu trocknen. Die Trocknungsvorrichtung kann beispielsweise eine oder mehrere Infrarotstrahlungsquellen aufweisen, beispielsweise ausgebildet als Infrarotlampen. Die beschichtete Rohfaser kann durch die Trocknungsvorrichtung während des Trocknens gezogen werden. Die beschichtete Rohfaser kann an der Trocknungsvorrichtung während des Trocknens vorbeigezogen werden. Herkömmliche Fertigungsanlagen können einfach mit der Infrarottrocknungsvorrichtung nachgerüstet werden.
In Faserzugrichtung kann beispielsweise die Kühlvorrichtung hinter der Rohfaserzeugungsvorrichtung angeordnet sein. Die Auftragungsvorrichtung kann in Faserzugrichtung hinter der Rohfaserzeugungsvorrichtung und auch der Kühlvorrichtung angeordnet sein. Die Infrarottrocknungsvorrichtung kann in Faserzugrichtung hinter der Auftragungsvorrichtung angeordnet sein. Eine Bündelvorrichtung zum Bündeln mehrerer simultan erzeugter Rohfasern kann in Faserzugrichtung vor oder hinter der Auftragungsvorrichtung und/oder der Infrarottrocknungsvorrichtung angeordnet sein.
In einer Ausführungsform der Fertigungsanlage kann es vorgesehen sein, dass die Fertigungsanlage ferner eine Wickelvorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Glasfaser aufzuwickeln. Die Wickelvorrichtung kann beispielsweise zwei Spulköpfe aufweisen, wobei immer an einem Spulkopf die erzeugte Glasfaser aufgewickelt wird. Die Wickelvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, den Spulkopf unterbrechungsfrei zu wechseln, beispielsweise indem die Spulköpfe beweglich angeordnet sind. Die Infrarottrocknungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung vor und/oder bei dem Aufwickeln zu trocknen. Beispielsweise kann die Infrarottrocknungsvorrichtung eine bauraumsparende Einheit mit der Wickelvorrichtung bilden. Die Infrarottrocknungsvorrichtung kann beispielsweise wenigstens eine Infrarotstrahlungsquelle aufweisen. Die Infrarotstrahlungsquelle kann mit jeweiligen Spulköpfen beim Wechsel mitbewegt werden oder unbeweglich angeordnet sein.
Die Infrarotstrahlungsquelle der Infrarottrocknungsvorrichtung kann auf einen Spulkopf der Wickelvorrichtung ausgerichtet sein. Dadurch kann die Trocknung besonders energieeffizient sein. Zudem ist so die Anordnung der Infrarotstrahlungsquelle besonders einfach. Die Infrarotstrahlungsquelle kann dazu ausgebildet sein, über die Breite des Spulkopfes die Faser zu bestrahlen. Dadurch ist ein besonders zuverlässiges Trocknen möglich. Zudem kann so auch ein zusätzliches Trocknen nach dem Aufwickeln und/oder ein weiteres Aufheizen erfolgen, beispielsweise um eine Vernetzung der nach der Trocknung verbleibenden Schlichtenflüssigkeitsanteile anzuregen. Zudem ist eine solche Gestaltung besonders kostengünstig. Die Wickelvorrichtung kann eine Faserführung aufweisen. Die Faserführung kann sich beispielsweise axial entlang dem Spulkopf beim Aufwickeln bewegen. So kann ein Sammeln der Faser entlang des Spulkopfes gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich zum Bestrahlen über die Breite des Spulkopfes zu bestrahlen, kann die Infrarotstrahlungsquelle mit der Faserführung der Wickelvorrichtung mitbewegt werden, beispielsweise indem die Infrarotstrahlungsquelle an der Führung befestigt ist. Dadurch kann die Infrarotstrahlungsquelle besonders gut auf die Faser ausgerichtet sein. Beispielsweise kann die Infrarotstrahlungsquelle nur auf die Führung bzw. in Faserzugrichtung knapp davor oder dahinter ausgerichtet sein und so einen sehr kleinen Raum bestrahlen. Dadurch kann das Aufheizen der Faser besonders effizient sein und ein Energieaufwand zum Trocknen besonders gering sein.
In einer Ausführungsform der Fertigungsanlage kann es vorgesehen sein, dass die Rohfaserzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, mehrere Rohfasern simultan zu erzeugen. Die Fertigungsanlage kann eine Bündelvorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Rohfasern zu bündeln. Die Bündelvorrichtung kann beispielsweise einen Sammelschuh aufweisen, um die Rohfasern zu bündeln. Die Auftragungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, auf die Rohfasern separat oder gemeinsam als Bündel die Schlichtenflüssigkeit aufzutragen. Die Infrarottrocknungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit mittels Infrarotstrahlung nach dem Bündeln zu trocknen. Dadurch können die gebündelten Rohfasern durch die Schlichte miteinander verbunden werden.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch eine Fertigungsanlage für die Glasfaserherstellung; und
2 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Herstellen einer Glasfaser.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch eine vertikal und kontinuierlich arbeitende Fertigungsanlage 10, welche dazu ausgebildet ist, mehrere Glasfasern simultan herzustellen. Die Fertigungsanlage 10 weist eine Rohfasererzeugungsvorrichtung 12 auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Rohfaser 14 aus einer Glasschmelze 16 zu erzeugen. Die Rohfasererzeugungsvorrichtung 12 weist dafür eine Schmelzvorrichtung 18 auf, in welcher die Glasschmelze 16 aus festen Ausgangsstoffen erzeugt wird. Unterseitig sind an der Schmelzvorrichtung 18 eine Vielzahl von Düsen angeordnet, aus welchen die Rohfasern 14 abgezogen werden.
In Zugrichtung hinter und damit unterhalb der Rohfaserzeugungsvorrichtung 12 ist eine Kühlvorrichtung 20 angeordnet. Die Kühlvorrichtung 20 ist dazu ausgebildet, die Rohfasern 14 durch Besprühen mit einem Wassernebel abzukühlen. Dadurch wird das Erstarren der Rohfasern 14 beschleunigt. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlvorrichtung eine oder mehrere Kühlrippen aufweisen.
In Zugrichtung hinter und damit unterhalb der Kühlvorrichtung 20 ist eine Auftragungsvorrichtung 22 angeordnet. Die Auftragungsvorrichtung 22 ist dazu ausgebildet, eine Schlichtenflüssigkeit 24 auf die erzeugte Rohfaser 14 aufzutragen. Dafür weist die Auftragungsvorrichtung 22 eine Graphitwalze 26 auf, welche in einem Reservoir der Schlichtenflüssigkeit 24 eingetaucht angeordnet ist und an den Rohfasern 14 abrollt. Alternativ oder zusätzlich kann die Auftragungsvorrichtung auch eine Edelstahlwalze oder eine mit Keramik beschichteten Walze aufweisen.
In Zugrichtung vor oder hinter der Auftragungsvorrichtung 22 werden die Rohfasern 14 zu einem Faserbündel gebündelt. Dafür kann die Fertigungsanlage 10 einen nicht dargestellten Sammelschuh aufweisen.
In Zugrichtung hinter der Auftragungsvorrichtung 22 und des Sammelschuhs ist eine Wickelvorrichtung 32 angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, die gebündelten Rohfasern mit der darauf aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit auf einen Spulkopf 28 aufzuwickeln. Alternativ erfolgt beispielsweise kein Wickeln und die Fasern werden direkt zur Kurzglasfasern geschnitten. Die Wickelvorrichtung 32 kann auch die Kraft zum Abziehen der Rohfasern 14 aus der Glasschmelze 16 durch die jeweiligen Düsen bereitstellen.
An der Wickelvorrichtung 32 ist eine Infrarottrocknungsvorrichtung 30 angeordnet. In dem gezeigten Beispiel ist die Infrarottrocknungsvorrichtung 30 unterhalb der Wickelvorrichtung 32 angeordnet. Die Infrarottrocknungsvorrichtung 30 kann aber auch seitlich oder oberhalb der Wickelvorrichtung 32 angeordnet sein, insbesondere aufgerichtet auf einen tangentialen Wickelpunkt. Die Infrarottrocknungsvorrichtung 30 weist eine Strahlungsquelle in Form einer Infrarotlampe auf. Die Infrarottrocknungsvorrichtung 30 ist dazu ausgebildet, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit 24 auf den Fasern mittels Infrarotstrahlung inline während des Fertigungsprozesses zu trocknen. In dem gezeigten Beispiel bestrahlt die Infrarottrocknungsvorrichtung 30 dazu den Spulkopf 28 über dessen gesamte Breite im Bereich wo die Fasern aufgewickelt werden. Alternativ kann die Infrarottrocknungsvorrichtung 30 auch mit einer Faserführung der Wickelvorrichtung 32 mitbewegt werden oder beispielsweise in Zugrichtung noch vor der Wickelvorrichtung 32 angeordnet sein. Durch das Trocknen verdampfen flüchtige Bestandteile der Schlichtenflüssigkeit 24 und nichtflüchtige Bestandteile der Schlichtenflüssigkeit 24 verbleibenden auf den Fasern. Entsprechend verbleibt eine getrocknete Schlichte als äußere Schicht der hergestellten Glasfasern. Diese Schlichte verbindet dabei die Fasern eines Faserbündels miteinander.
2 veranschaulicht ein Verfahren zum Herstellen einer Glasfaser, welches mit der Fertigungsanlage 10 genutzt werden kann. Ein erster Prozessschritt ist ein Erzeugen 40 der Vielzahl von Rohfasern 14 aus der Glasschmelze 16. Ein zweiter Prozessschritt ist ein Auftragen 42 der Schlichtenflüssigkeit 24 auf die erzeugten Rohfasern 14. Ein dritter Prozessschritt ist ein Bündeln 44 der Rohfasern 14 zu einem Faserbündel nach dem Auftragen 42 der Schlichtenflüssigkeit 24, wobei dies auch vor dem Auftragen 42 der Schlichtenflüssigkeit 24 erfolgen kann. Ein vierter Prozessschritt ist ein Trocknen 46 der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit 24 mittels durch die Infrarottrocknungsvorrichtung 30 erzeugter Infrarotstrahlung. Das Trocknen 46 erfolgt inline kontinuierlich noch vor einem Sammeln der hergestellten Glasfasern.
Bezugszeichenliste

10: Fertigungsanlage
12: Rohfasererzeugungsvorrichtung
14: Rohfasern
16: Glasschmelze
18: Schmelzvorrichtung
20: Kühlvorrichtung
22: Auftragungsvorrichtung
24: Schlichtenflüssigkeit
26: Graphitwalze
28: Spulkopf
30: Infrarottrocknungsvorrichtung
32: Wickelvorrichtung
40: Erzeugen
42: Auftragen
44: Bündeln
46: Trocknen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3933456 A [0005]
EP 2445714 A1 [0006]
EP 2861657 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Glasfaser, insbesondere ausgebildet als Verstärkungsfaser für Kunststoffe, wenigstens die folgenden Schritte aufweisend: - Erzeugen (40) einer Rohfaser (14) aus einer Glasschmelze (16); - Auftragen (42) einer Schlichtenflüssigkeit (24) auf die erzeugte Rohfaser (14); - Trocknen (46) der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit (24) mittels durch eine Infrarottrocknungsvorrichtung (30) erzeugter Infrarotstrahlung, wobei das Trocknen (46) insbesondere inline erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen (40) ein Erzeugen mehrerer Rohfasern (14) simultan aufweist und das Verfahren ferner einen Schritt eines Bündelns (44) der Rohfasern (14) zu einem Faserbündel vor oder nach dem Auftragen (42) der Schlichtenflüssigkeit (24) aufweist, wobei das Trocknen (46) der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit (24) mittels Infrarotstrahlung nach dem Bündeln (44) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ferner einen Schritt eines Aufwickelns der Glasfaser aufweist, wobei das Trocknen (46) der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit (24) mittels Infrarotstrahlung vor und/oder bei dem Aufwickeln erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner einen Schritt eines Kühlens der Rohfaser (14) nach deren Erzeugung aus der Glasschmelze (16) aufweist, insbesondere mittels eines Wassersprays, wobei das Auftragen (42) der Schlichtenflüssigkeit (24) auf die erzeugte Rohfaser (14) nach dem Kühlen erfolgt und/oder wobei das Trocknen (46) der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit (24) mittels Infrarotstrahlung nach dem Kühlen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner einen Schritt eines Schneidens der erzeugten Glasfaser nach dem Trocknen (46) der aufgetragenen Schlichtenflüssigkeit (24) mittels Infrarotstrahlung aufweist, um Kurzglasfaser zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Verfahren Rohfasern (14) mit einem Durchmesser von höchstens 50 µm, insbesondere von 35 µm oder weniger, erzeugt werden.
Glasfaser, insbesondere ausgebildet als Verstärkungsfaser für Kunststoffe, wobei die Glasfaser einen Glaskern, welcher aus einer Glasschmelze (16) erzeugt wurde, und eine auf dem Glaskern angeordnete Schlichte, welche durch Trocknen (46) einer Schlichtenflüssigkeit (24) auf dem Glaskern mittels durch eine Infrarottrocknungsvorrichtung (30) erzeugter Infrarotstrahlung erzeugt wurde, aufweist.
Fertigungsanlage (10) zum Herstellen einer Glasfaser, insbesondere zum Herstellen der Glasfaser gemäß Anspruch 6 und/oder insbesondere ausgebildet zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wenigstens aufweisend: - Eine Rohfasererzeugungsvorrichtung (12), welche dazu ausgebildet ist, eine Rohfaser (14) aus einer Glasschmelze (16) zu erzeugen; - Eine Auftragungsvorrichtung (22), welche dazu ausgebildet ist, eine Schlichtenflüssigkeit (24) auf die erzeugte Rohfaser (14) aufzutragen; und - Eine Infrarottrocknungsvorrichtung (30), welche dazu ausgebildet ist, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit (24) mittels Infrarotstrahlung zu trocknen, insbesondere durch eine inline Trocknung.
Fertigungsanlage (10) nach Anspruch 8, wobei die Fertigungsanlage (10) ferner eine Wickelvorrichtung (32) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die Glasfaser aufzuwickeln, wobei die Infrarottrocknungsvorrichtung (30) dazu ausgebildet ist, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit (24) mittels Infrarotstrahlung vor und/oder bei dem Aufwickeln zu trocknen, insbesondere wobei eine Infrarotstrahlungsquelle der Infrarottrocknungsvorrichtung (30) auf einen Spulkopf (28) der Wickelvorrichtung (32) ausgerichtet ist.
Fertigungsanlage (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Rohfaserzeugungsvorrichtung (12) dazu ausgebildet ist, mehrere Rohfasern (14) simultan zu erzeugen, die Fertigungsanlage (10) eine Bündelvorrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, die simultan erzeugten Rohfasern (14) zu bündeln wobei die Infrarottrocknungsvorrichtung (30) dazu ausgebildet ist, die aufgetragene Schlichtenflüssigkeit (24) mittels Infrarotstrahlung nach dem Bündeln (44) zu trocknen.