Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu
beseitigen. Es soll insbesondere ein Glas angegeben werden, aus
dem Glaskugeln hergestellt werden können, die den obigen Anforderungen
entsprechen. Darüber
hinaus soll Glas angegeben werden, mit dem Glaskugeln mit hoher
Lebensdauer hergestellt werden können,
die zudem für
Reflexionsschichten verwendet werden können, da sie verbesserte Nachtsichtbarkeit
von Markierungen auf regenassen Flächen gewährleisten.
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bzw.
4 bis 6.
Nach
Maßgabe
der Erfindung ist ein Glas mit einem Lichtbrechungsindex, der größer als
1,50 ist, zur Herstellung von Glaskugeln mit 0,7 bis 2,5 mm Durchmesser
vorgesehen, das
30 bis weniger als 40 Masse-% SiO2,
10
bis 30 Masse-% BaO,
10 bis 20 Masse-% TiO2,
8
bis 12 Masse-% CaO,
7 bis 10 Masse-% Al2O3,
5 bis 10 Masse-% Na2O
und
0 bis 5 Masse-% B2O3
enthält.
Das
vorgeschlagene Glas ermöglicht
es erstmals, Glaskugeln herzustellen, das den obigen Anforderungen
genügt.
Insbesondere können
daraus Glaskugeln hergestellt werden, die einen Brechungsindex nD aufweisen, der größer als 1,50 ist. Darüber hinaus
weisen die aus diesem Glas hergestellten Glaskugeln eine hohe Abriebfestigkeit,
eine hohe Wasserbeständigkeit
sowie eine hohe Rundheit und Oberflächengüte auf. Der Durchmesser der
aus diesem Glas hergestellten Glaskugeln kann zwischen 0,7 und 2,5
mm, insbesondere zwischen 1,0 und 2,5 mm liegen. Diese Glaskugeln
sind somit für
die Verwendung in Reflexionsschichten beispielsweise in Form von
Markierungen auf Straßen
sowie Start- und Landbahnen für
Flugzeuge geeignet. Sie gewährleisten
insbesondere eine hohe Nachtsichtbarkeit auch bei regennassen Flächen.
Der
Lichtbrechungsindex nD des Glases liegt vorzugsweise
zwischen 1,55 und 1,8. Das Glas lässt sich an üblichen
Glasschmelzanlagen ohne Schwierigkeiten schmelzen und mit guter
Homogenität
für den
Prozess der Kugelherstellung bereitstellen.
Die
nach ISO 719 bestimmte Wasserbeständigkeit des erfindungsgemäßen Glases
entspricht der Klasse HGB 1. Die Wasserbeständigkeit des erfindungsgemäßen Glases
ist somit besser als die von Normalglas und die des oben erörterten
Bariumtitanatglases. Die gemäß DIN 12116
bestimmte Säurebeständigkeit
entspricht der Säureklasse
S4. Die Laugenbeständigkeit
des erfindungsgemäßen Glases
entspricht somit der von Normalglas und ist besser als die von Bariumtitanatglas.
Die gemäß DIN 52322
bestimmte Laugenbeständigkeit
entspricht der Laugenklasse A2. Hinsichtlich der Säurebeständigkeit
liegt das erfindungsgemäße Glas
somit zwischen Normalglas und dem sehr schlechten Bariumtitanatglas.
Nach
Maßgabe
der Erfindung ist demgemäß vorgesehen,
das Glas für
Glaskugeln mit 0,7 bis 2,5 mm Durchmesser zu verwenden.
Jede
der Glaskugeln weist eine Rundheit auf, die zwischen 1,00 und 1,10
liegt, wobei die Rundheit in diesem Zusammenhang als Quotient aus maximalem
Durchmesser (Dmax) und minimalen Durchmesser
(Dmin) dieser Glaskugel definiert ist. Der mittlere
Durchmesser aller Glaskugeln sollte 1,05 betragen.
Die
Oberfläche
der erfindungsgemäßen Glaskugeln
ist vorzugsweise feuerpoliert und weist eine Rautiefe auf, die kleiner
als 1 μm
ist.
Die
mit dem erfindungsgemäßen Glas
hergestellten Glaskugeln genügen
den oben genannten Anforderungen, die an Glaskugeln gestellt werden, die
für Reflexionsschichten
auf Straßen
usw. verwendet werden sollen.
Die äußeren Hüllen der
Glaskugeln besitzen eine Druckvorspannung bis etwa 10 MPa, wenn
die Dicke der äußeren Hüllen bis
zu 0,5 mm beträgt.
Der Abrieb beträgt
höchstens
0,5 g bei einem 24-h-Test, bei dem 400 g Glaskugeln mit 300 g Wasser
in einer Rührwerksmühle gemahlen
werden. Der Anteil von Kugeln mit Anhaftungen auf der Oberfläche und/oder mit
Fremdpartikel-, kristallinen oder Blasen-Einschlüssen ist bei Verwendung der
aus dem erfindungsgemäßen Glas
hergestellten Kugeln kleiner als 0,5 %.
Bei
der Herstellung der Glaskugeln unter Verwendung des erfindungsgemäßen Glases
wird sich eines Verfahrens bedient, das folgende Schritte umfasst:
- (a) Einstellen der Viskosität des Fadens aus geschmolzenem
Glas auf 10 bis 300 Pa s;
- (b) Ablenken und Beschleunigen der Glasschmelze am unteren Fadenende
seitlich in einer Richtung um 90° bis
140°, indem
die Glasschmelze am unteren Ende wiederkehrend temporär an durch
die Fadenachse laufende Flächen
(Klebegegenflächen)
geklebt wird;
- (c) gleichzeitig mit Schritt (b) Umwandeln der Glasschmelze
in eine Partikelkette, die aus Kugeln nahekommenden Anhäufungen
der Glasschmelze mit sehr dünnen
Verbindungsfäden
besteht, indem das untere Fadenende vom freihängenden unteren Fadenende der
Glasschmelze periodisch abgestriffen und gestaucht und zwischen
jeweils zwei Abstreif- und Stauchzyklen abgesponnen wird; und
- (d) Schmelzen der sehr dünnen
Verbindungsfäden
der so erhaltenen Partikelkette in einem Nachheizvorgang, wodurch
diskrete Kugeln hergestellt werden.
Der
Ausdruck „wiederkehrend
temporär" der in Schritt (b)
des Verfahrens verwendet wird, ist so zu verstehen, dass das Kleben
nur zeitweilig, im konkreten Fall nur für kurze oder sehr kurze Zeitabschnitte an
den laufenden Klebeflächen
erfolgt.
Andersgesagt
wird der Faden auf Viskositäten
zwischen 10 und 300 Pa s eingestellt, die Glasschmelze am unteren
Fadenende durch wiederkehrendes temporäres Kleben an durch die Fadenachse laufenden
Flächen
seitlich in einer Richtung um 90° bis
140° abgelenkt
und beschleunigt und dabei durch streng periodisches Abstreifen
und Stauchen des unteren Fadenendes mit bis zum nächsten Abstreifen/Stauchen
folgendem Abspinnen vom frei hängenden
unteren Fadenende in eine Partikelkette aus Kugeln nahekommenden
Anhäufungen
der Glasschmelze mit sehr dünnen
Verbindungsfäden
umgewandelt, aus der in einem Nachheizvorgang durch Schmelzen der
sehr dünnen
Verbindungsfäden
und unter der Wirkung der Oberflächenspannung
in einer Spur fliegende diskrete Kugeln hergestellt werden.
Der
Steuerung der Klebezeit jedes Einzelvorgangs kommt besondere Bedeutung
zu. Sie kann so erfolgen, dass die Klebegegenfläche zunächst linear und später nach
unten gekrümmt
bewegt wird. Die Klebezeit ist dann beendet, wenn die einsetzende
Fliehkraft die Klebkraft erreicht. Bei ständiger gekrümmter Bewegung der Klebegegenfläche mit
konstanter Fliehkraft wird die Klebezeit durch Verminderung der
Klebkraft bei gesteuerter Temperaturerniedrigung der Kontaktfläche eingestellt.
Der Begriff „Einzelvorgang" ist in diesem Zusammenhang
so zu verstehen, dass der Ablauf an einer einzelnen der rasch nacheinander
am unteren Fadenende vorbeilaufenden Klebefläche betrachtet wird.
Eine
Ausführungsform
des angewendeten Verfahrens besteht darin, dass die Klebezeit zusätzlich oder
ausschließlich
pneumatisch durch einen impulsartigen Gasstrahl im Kontaktflächenbereich
begrenzt und damit eingestellt wird. Der Gasstrahl muss dabei direkt
oder indirekt von der Klebegegenfläche oder von der Schattenfläche aus
auf die gerade noch klebende Glasaufstauchung wirken. Als Gas können kalte
oder bis zu 600 °C
heiße
Luft, kaltes oder bis zu 600 °C
heißes
Kohlendioxid, andere geeignete kalte oder bis zu 600 °C heiße Gase, überhitzter
Wasserdampf oder Aerosole eingesetzt werden. Eine andere Möglichkeit
ist, dass der Gasstrahl durch eine Flammenzündung oder eine begrenzte Explosion
erzeugt wird. Dazu wird in unmittelbarer Nähe oder im unmittelbaren Schatten
der Klebegegenfläche
impulsartig ein brennbares Gas, ein brennbares Gas-Luft-Gemisch,
ein brennbares Gas-Luft-Sauerstoff-Gemisch oder ein brennbares Gas-Sauerstoff-Gemisch
zugeführt.
Als brennbares Gas können
Wasserstoff, Acetylen, Flüssiggas
(z. B. Propan, Butan), Erdgas oder andere Brenngase und Brenngasgemische
eingesetzt werden, die Zündung
kann durch die heiße
Partikelkette oder elektrisch erfolgen. Selbstverständlich können Kombinationen
der vorstehend erläuterten Verfahrensvarianten
eingesetzt werden.
Die
Ausdrücke „Schatten" und „Schattenfläche" stehen in diesem
Zusammenhang für
die nach der Laufrichtung der Klebegegenflächen rückwärtigen Flä chen, die unter den abgesponnenen
dünnen Verbindungsglasfäden ohne
direkten Kontakt zu diesen Fäden
laufen.
Weiterhin
sollte die Temperierung (Aufheizung oder Kühlung), die Reinigung oder
die Temperierung und Reinigung der Klebegegenflächen und/oder der Schattenflächen in
ausreichendem Abstand vom schmelzflüssigen Glasfaden und von der heißen Partikelkette
durch An- oder Abblasen mit kalten oder heißen Gasen oder mit Flammen
erfolgen.
Der
frei nach unten laufende Faden des geschmolzenen Glases wird am
Abstreifpunkt vorzugsweise auf einen Durchmesser zwischen 1,5 und
3 mm und auf eine Geschwindigkeit zwischen 0,5 und 1,5 m/s eingestellt.
Beispielsweise können
bis zu 10 Fäden
parallel mit Mittelpunktsabständen
von 10 bis 50 mm frei nach unten laufen.
Die
Abstreifgeschwindigkeit und damit die Abfluggeschwindigkeit der
Partikelkette wird auf Werte von 10 bis 60 m/s, die Frequenz der
aufeinanderfolgenden Abstreif- und Stauchvorgänge auf Werte von 500 bis 7000
s–1 eingestellt.
Die
Abstreiferoberflächentemperatur
wird unmittelbar vor dem Abstreifvorgang vorzugsweise auf eine Temperatur
eingestellt, die 300 bis 700 K niedriger als die Temperatur des
Glasfadens am Abstreifpunkt ist. Vorzugsweise wird die Abstreiferoberflächentemperatur
dabei auf einen Wert eingestellt, der einer Viskosität des verwendeten
Glases von 108,25 Pa s oder einer niedrigeren
Viskosität
entspricht. Es ist bekannt, dass Klebeerscheinungen bei Unterschreitung
einer Oberflächenviskosität des Glases
von 108,25 Pa s auftreten. Die Temperierung
der Abstreiferflächen
soll durch Wärmestrahlung,
Induktionserwärmung,
Beflammung, Heißgasblasen, Strahlungskühlung und/oder
Gas- oder Aerosolkühlung
mit Anblasen oder Absaugen erfolgen.
Die
Abstreiferoberflächen
können
besonders in den als Klebegegenflächen verwendeten Abschnitten
vor dem Abstreifvorgang mit einem Haftverbesserer, d. h., einer
Haft- oder Klebehilfe oder mit einem Material zur Steuerung des
temporären
Klebens, beschichtet werden. Als Materialien zur Steuerung der Haftung
werden Silikate, Aluminate, Titanate oder Borate der Alkalimetalle,
Oxide, Hydroxide, Carbonate, Sulfate, Silikate, Aluminate, Titanate
oder Borate der Erdalkalimetalle, TiO2,
ZrO2, B2O3, Al2O3,
Kohlenstoff in Form von Feinstgraphit oder Ruß, SiO2,
SiC, SnO2 oder typische Glasformenschmiermittel
auf Ölbasis
einzeln oder in zweckmäßiger Kombination verwendet.
Die Beschichtung mit Hafthilfen oder Materialien zur Steuerung der
Haftung mit einer Dicke von 1 bis 50 μm wird über Aerosole und gegebenenfalls
während
eines Kühlvorganges,
durch Aufsprühen
und Antrocknen von Lösungen
oder Emulsionen oder elektrostatisch aufgebracht.
Die
Vorrichtung zur Erzeugung der Glaskugeln aus dem erfindungsgemäßen Glas
weist Arbeitszähne
zum Abstreifen und Stauchen des unteren Fadenendes während des
temporären
Klebens des geschmolzenen Glases auf, wobei die Arbeitszähne am Abstreifpunkt
horizontal oder bis zu 50° ansteigend
gegen den frei nach unten abfließenden Faden des geschmolzenen
Glases verlaufen (vgl. 1 bis 3).
Bei
der Vorrichtung werden also, wie bereits ausgeführt, Arbeitszähne 1 für das Abstreifen
und Stauchen bei temporärem
Kleben eingesetzt, die am Abstreifpunkt 5 horizontal oder
bis 50° ansteigend gegen
den senkrecht frei nach unten abfließenden Faden des geschmolzenen
Glases laufen und bei denen die in Lauf- oder Bewegungsrichtung
vorderen Zahnflanken 1.1 und die Zahnspitzen 1.2 als Abstreif-,
Stauch- und Klebegegenfläche
eingesetzt werden. Die vorderen Zahnflanken 1.1 bilden mit der Bewegungsrichtung
und in dieser Richtung gegen die Zahnwurzel 1.3 gesehen einen Winkel
W1 von 20° bis
70°, die
hinteren Zahnflanken 1.4 mit der Bewegungsrichtung und in dieser
Richtung gegen die Zahnwurzel 1.3 gesehen einen Winkel W2 von 150° bis 90°. Die Höhe der Arbeitszähne 1 beträgt 3 bis
10 mm, die Zahnspitzen sind mit einem Radius von 0,3 bis 2 mm gerundet.
Der
Ausdruck „Abstreifpunkt" kennzeichnet die
Stelle, bei der der frei nach unten laufende Faden aus geschmolzenem
Glas auf die Kontaktgegenfläche
auftrifft, wobei er periodisch abgestriffen, gestaucht und abgesponnen
wird. Er ist synonym zu dem gelegentlich verwendeten Ausdruck „Auftreffpunkt", wobei die unterschiedlichen
Bezeichnungen desselben Punktes gewählt wurden, um die verschiedenen
funktionellen Bedeutungen dieses Punktes in bezug auf den jeweiligen
Verfahrensschritt kenntlich zu machen.
Die
Arbeitszähne 1 bestehen
vorzugsweise aus Gußeisen,
Kohlenstoffstählen,
legierten Stählen, NiAl-Bronzen,
Nickel-Legierungen, Sinter-Keramik (Si3N4), Graphit oder anderen geeigneten Werkstoffen
und sind gegebenenfalls durch Flammenspritzen oder auf entsprechende
andere Weise mit einer Sonderlegierung oder einem Sonderwerkstoff
gepanzert.
1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Vorrichtung, bei der die Arbeitszähne 1 nach außen ragend
auf einer Stahlrollenkette 2 angebracht sind, die zwischen
einem Antriebskettenrad 3 und einem Spannrad 4 derart
gespannt ist, dass das Lasttrum oben liegt. Die Arbeitszähne 1 laufen
am oberen Trum der Kette 2 gegen den frei nach unten abfließenden Faden
des geschmolzenen Glases. Die Neigung des oberen Trums ist vorzugsweise
von 0° bis 50° ansteigend
eingestellt, wozu die Achse des Spannrades 4 schwenkbar
um die Achse des Antriebsrades 3 angeordnet ist. Die Entfernung
a zwischen Auftreffpunkt 5 des Fadens auf die obere Arbeitszahnlinie
und dem durch das Antriebskettenrad 3 und die Lage des
Spannrades 4 bestimmten Umlenkpunkt 6 der Rollenkette 2 sollte
zweckmäßigerweise
auf 5 bis 500 mm eingestellt werden. Zweckmäßigerweise
hat das Antriebskettenrad 3 einen Durchmesser von 135 bis
350 mm und die äußere Arbeitszahnlinie
im Bereich des Antriebsrades 3 einen Durchmesser von 150
bis 400 mm.
Bei
gegebenen Rädern 3, 4 und
einer gegebenen Rollenkette 2 können der Abstand a zwischen dem
Auftreffpunkt 5, und dem Umlenkpunkt 6, die Geschwindigkeit
v des Rades 3 und der Anstellwinkel γ verändert werden. Damit kann diese
Vorrichtung gegenüber
der zweiten Ausführungsform
zusätzlich über γ und a gesteuert
werden.
Statt
einer Stahlrollenkette 2 können ein Stahlrollenkettenpaar
oder mehrere entsprechende parallel laufende Stahlrollenketten eingesetzt
werden, so dass mehrere Fäden 12 gleichzeitig
und somit entsprechend viele Partikelketten 13 gebildet werden
können.
In 2b sind mehrere solche aus Spuren A, B und C bezeichneten
parallele Verarbeitungslinien dargestellt.
Vorzugsweise
sind das Antriebsrad 3 oder das Spannrad 4 oder
beide topfförmig
ausgebildet. Wie in 2 dargestellt,
sind dabei im Bereich jeder Partikelkettenspur langlochartige Bohrungen 7 in
bestimmten Positionen zu den Kettenradzähnen angeordnet und gegebenenfalls
als Brennerdüsen
ausgebildet, die beim Lauf alternativ genau vor oder hinter den
Arbeitszähnen 1 liegen.
Das Antriebsrad 3 oder das Spannrad 4 oder beide
haben bei topfförmiger Ausbildung
im Inneren feststehende zylinderförmige, im erforderlichen Maße gegen
den umlaufenden Topf abgedichtete Blaskulissen 8. Über die
Blaskulissen 8 werden mit den entsprechenden Zuführungen 9 und/oder 10 die
für die
Trennimpulse und/oder die für eine
Reinigung oder Temperierung benötigten
Gase zugeführt.
Die Blaskulissen 8 sind als in den Radtopf einfahrbare,
während
des Betriebes feststehende Zylinder ausgebildet.
Die
nach 1 und 2 auf der Stahlrollenkette 2,
dem Stahlrollenkettenpaar 2 oder mehreren entsprechenden
parallel laufenden Stahlrollenketten 2 angeordneten Zähne 1 oder
entsprechenden Zahnleisten 1 haben einen Abstand von 8
bis 80 mm. Die Stahlrollenkettenanordnung 2 läuft mit
einer Geschwindigkeit von 10 bis 60 m/s.
Eine
zweite Ausführungsform
ist in 3 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung sind die
Zähne 1 am äußeren Umfang
eines topfförmigen
Rades 11 (Abstreifrad 11) angeordnet. Alternativ
vor oder hinter den Zähnen 1 im
Bereich der Partikelkettenspur befinden sich langlochartige Bohrungen 7,
die gegebenen falls als Brennerdüsen
ausgebildet sind. Die Bohrungen 7 laufen im Inneren des
topfförmigen
Rades 11 an einer gegen den Auftreffpunkt 5 fest
einstellbaren, erforderlichenfalls gegen den Radtopf abgedichteten
Blaskulisse 8 mit Zuführung 9 für die zur
Begrenzung des temporären
Klebens eingesetzten Gase oder Gasmischungen vorbei. Ähnlich wie
in 2 können die Bohrungen 7 außerdem im
Inneren des topfförmigen
Rades 11 und im unteren Radbereich an einer erforderlichenfalls
gegen den Radtopf abgedichteten Blaskulisse 8 mit Zuführung 10 für die zur
Temperierung und/oder Reinigung eingesetzten Gase oder Gasmischungen
vorbeilaufen. Zur Abdichtung können
Dichtschieber 16 ähnlich
wie bei Drehschieberpumpen verwendet werden.
Zweckmäßigerweise
beträgt
bei dieser zweiten Ausführungsform
der Zahnspitzendurchmesser des Rades 11 150 bis 450 mm,
sind auf dem Rad 11 20 bis 100 Zähne 1 angeordnet und
läuft das
Rad 11 mit 15 bis 120 Umdrehungen je Sekunde.
Der Auftreffpunkt 5 ist gegen die Senkrechte durch die
Drehachse des Rades 11 um 10 mm bis 150 mm versetzt.
Bei
beiden Ausführungsformen
sind zweckmäßigerweise
in Bewegungsrichtung gesehen vor dem Auftreffpunkt 5 Einrichtungen
zur Beschichtung der Zähne 1,
wie Sprühköpfe, und
Einrichtungen zum Aufheizen der Zähne 1, wie Induktionsleisten,
angeordnet.
Die
Steuerung des frei nach unten laufenden Glasfadens erfolgt dadurch,
dass die Glasschmelze über
eine rohrartige direkt elektrisch beheizte Zuführung und durch eine Düse oder
mehrere Düsen
aus hochschmelzenden Edelmetallen oder Edelmetallegierungen geleitet
wird. Dabei sollte der Düsendurchmesser 3 bis
8 mm betragen, wobei in einer Düsenplatte
vorzugsweise bis zu 10 Düsen
nebeneinander mit Mittelpunktsabständen der Düsen von 10 bis 50 mm angeordnet
sind. Der senkrechte Abstand zwischen der Düse bzw. den Düsen und
dem Auftreffpunkt 5 beträgt 150 bis 1500 mm.