DE1108388B

DE1108388B - Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Glasfasern durch Zerblasen bei Quarz

Info

Publication number: DE1108388B
Application number: DEE17340A
Authority: DE
Inventors: James S Hill
Original assignee: Engelhard Industries Inc
Current assignee: Engelhard Industries Inc
Priority date: 1958-03-20
Filing date: 1959-03-19
Publication date: 1961-06-08
Also published as: US2984868A; GB871124A; FR1216883A

Description

Während die Erzeugung von Fasern aus künstlichen Stoffen, einschließlich Glas, gut eingeführt ist, bietet die Herstellung von Quarzfasern noch große Schwierigkeiten. Es sind verschiedene Methoden bekannt, um Fasern aus geschmolzenem Quarz herzustellen, unter anderem durch Verschmelzen von Quarzpulver zwischen einem Elektrodenpaar zu einer Kugel und Ziehen endloser Fäden aus der Kugel aus geschmolzenem Quarz, durch Verspinnen von Verbindungen der Kieselsäure, die bei niedrigerer Temperatur als reiner geschmolzener Quarz schmelzen, und anschließende Entfernung der durch die Verbindung eingeführten Verunreinigungen, wobei man eine Faser aus im wesentlichen reinem geschmolzenem Quarz erhält, und durch Erspinnen von Fäden aus geschmolzenem Quarz und Erzielung der Fasern durch Verblasen mit einem unter rechten Winkeln zu den ausgepreßten Fäden zugeführten Gasstrom. Alle diese Methoden sind wegen des außerordentlich hohen Schmelzpunktes des Quarzes kompliziert und schwierig durchführbar.

Es ist bekannt, feine Glasfasern oder Glaskapillaren durch Zerblasen eines Glasstabes bzw. einer Glasröhre mit Hilfe einer Vorrichtung herzustellen, die in ihrer Bauart und Wirkungsweise den in der Metallindustrie allgemein bekannten Flammenspritzpistolen entspricht. Hierbei wird der auszuziehende Glasstab bzw. die auszuziehende Glasröhre kontinuierlich durch die zentrale Öffnung der Spritzpistole vorgeschoben, das austretende Ende wird durch eine am Kopf der Spritzpistole erzeugte Gebläseflamme auf die Schmelztemperatur erhitzt und gleichzeitig durch einen durch eine gesonderte Leistung aus dem Kopf der Spritzpistole in der Vorschubrichtung austretenden Druckgasstrom zu einem feinen Faden bzw. einer feinen Kapillare ausgezogen.

Der Anwendung dieses bekannten Verfahrens auf Quarz stellen sich Schwierigkeiten entgegen. Fasern aus Glas, welches bei niedrigerer Temperatur schmilzt als Quarz, sind im Hinblick auf den niedrigen Schmelzpunkt verhältnismäßig leicht herzustellen. Der Schmelzpunkt von kristallinem Quarz liegt bei etwa 1500° C, aber diese Temperatur genügt nicht zur Herstellung von Fäden. Man muß dazu vielmehr eine Mindesttemperatur von 1700° C innehalten, um eine Rekristallisation zu verhindern. Bei 1700° C ist Quarz aber immer noch eine weiche plastische Masse, während er erst bei 2000 bis 2500⁰C eine echte Flüssigkeit darstellt. Wird aber der geschmolzene Quarz längere Zeit auf hohen Temperaturen gehalten, so führt dies zu einer starken Verdampfung. Weiterhin besteht bei Quarz die Gefahr, daß er sehr Anwendung eines Verfahrens

zur Herstellung von Glasfasern

durch Zerblasen bei Quarz

Anmelder:

Engelhard Industries, Inc.,
Newark, N. J. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. März 1958

James S. Hill, Cranford, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

schnell in Form von Cristrobalit kristallisiert, und zwar sogar in zähflüssigem Zustand, wenn die Temperatur nicht sehr schnell gesteigert und dann über 1700° C gehalten wird. Es ist daher erforderlich, den Quarz sehr schnell auf diese hohen Temperaturen zu erhitzen, damit er sich nicht in nennenswertem Maße verflüchtigt und damit keine Rekristallisation stattfindet. Auch müssen bestimmte Maßnahmen getroffen werden, um die Verflüchtigung des Quarzes bei diesen hohen Temperaturen noch weiter einzuschränken, weil sich sonst der Düsenaustritt durch Abscheidung von Quarz auf den Wandungen der Außendüse verstopfen kann.

Es wurde gefunden, daß dies durch Einwirkung eines allseitigen Druckes auf den geschmolzenen Quarz verhindert werden kann. Demnach muß gemäß vorliegender Erfindung das zum Ausziehen des Quarzfadens dienende Druckgas einerseits unter einem bestimmten Mindestdruck stehen, damit es faserziehend wirkt, andererseits muß der Druck aber auch hoch genug sein, um die Verflüchtigung des Quarzes bei der gewählten Arbeitsgeschwindigkeit nach Möglichkeit einzuschränken.

Die größte Schwierigkeit, der man bisher bei der Herstellung von Quarzfasern begegnete, war die Regulierung der Wärme. Die Temperatur darf nämlich einerseits nicht so hoch sein, daß eine zu starke Verdampfung des geschmolzenen Quarzes stattfindet, andererseits darf sie wieder nicht so tief sein, daß der Quarz nicht in genügendem Ausmaße schmilzt.

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Es wurde nun gefunden, daß die Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Glasfasern durch Zerblasen bei Quarz in befriedigender Weise möglich ist, wenn man eine Gasflamme von einer Temperatur von über 1700³C in einer Verbrennungsleitung auf das schmelzende Ende einer Quarzröhre oder eines Quarzstabes richtet, die Flamme mit einem unter Druck von 1,4 bis 4,9 at stehenden Gas umhüllt und die Flamme während ihres Durchtritts durch die Verbrennungsleitung auf den Quarzkörper begrenzt.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden dabei die aus ihrer Bildungsstelle ausgeworfenen Fasern in einen Tunnel geleitet, der einen größeren Durchmesser und eine größere Länge als die Verbrennungsleitung hat.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Fasern aus geschmolzenem Quarz geeignete Vorrichtung im Schnitt, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Stab aus geschmolzenem Quarz,

Fig. 4 ein bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendetes Rohr aus geschmolzenem Quarz im Schnitt und

Fig. 5 in schematischer Darstellung, zum Teil im Schnitt, eine Abänderung der Vorrichtung.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung ist mit einer länglichen Innengasdüse 1 versehen, durch welche sich mindestens eine, vorzugsweise eine Anzahl langgezogener Gasleitungen 2, 3, 4 und 5 erstreckt, die andererseits auch von funktionsmäßig äquivalenten gesonderten Rohrleitungen gebildet werden können. Die Auslässe der Innendüsen sind von einer länglichen Außengasdüse 6 umgeben, deren Auslaß 7 sich über die Auslässe der Innendüse hinaus erstreckt, wodurch zwischen den Auslässen der Innen- und Außendüsen eine Verbrennungskammer 8 gebildet wird. Die Innen- und Außendüsen befinden sich unter Bildung eines den Umfang der Innendüse 1 umgebenden Gasdurchlasses 9 im Abstand voneinander. Die Auslaßöffnungen der Innendüse befinden sich senkrecht zu der zwischen einem Öffnungspaar verlaufenden Achse der Leitung 5 im Abstand voneinander und konvergieren in Richtung auf die Achse der Außendüse 6 zu. Im wesentlichen koaxial zur Außendüse 6 ist zwischen den Gasleitungen 2, 3, 4 und 5 ein !angezogener Durchlaß 10 vorgesehen, der im wesentlichen konzentrisch zu dem Gasdurchlaß 9 liegt. Die Bohrung der Außendüse 6 verjüngt sich vom Einlaß 11 zum Auslaß 7 hin. Die Außendüse 6 ist zwischen dem Einlaß 11 und dem Auslaß 7 mit einem Außenflansch 12 und zwischen diesem und dem Einlaß 11, wie bei 13, mit einem Außengewinde versehen. Der im wesentlichen kegelförmige Hohlteil 14 weist nahe seinem Scheitel, wie bei 15, ein Innengewinde auf, das mit dem Außengewinde 13 der Außendüse 6 im Eingriff steht.

Durch den koaxialen Durchlaß 10 ist ein Quarzstab 16 oder -rohr 17 (Fig. 3 und 4) eingeführt, das von Förderorganen, z. B. getriebenen Rollen 18 und 19, vorgeschoben wird.

Im Betrieb wird gemäß der Erfindung an die Düse 1 eine Quelle eines Brenngases, z. B. Sauerstoff—Acetylen oder Sauerstoff—Wasserstoff, angeschlossen, das Gas unter wesentlichem Druck und mit wesentlicher Geschwindigkeit durch die Gasleitungen 2, 3, 4 und 5 geführt und in der Verbrennungskammer 8 entzündet, in der es die eine hohe Temperatur aufweisende Flamme 20 bildet, die auf ein Endteil des Quarzstabes oder -rohres in der Verbrennungskammer 8 gerichtet ist. Die Temperatur der Flamme 20 liegt über der Schmelztemperatur des Stabes oder Rohres 16, 17.

Gleichzeitig mit der Hindurchführung von Brenngas durch die Innendüse wird ein anderes Gas, z. B. Luft, unter hohem Druck, z. B. von etwa 1,4 bis 4,9 at, vorzugsweise 2,8 bis 3,5 at, in den Gaskegel 14 eingeführt, aus dem es durch den Durchlaß 9 strömt und dabei den Gasflammstrahl umgibt und unter Bildung einer konzentrischen Flammumhüllung in der Verbrennungskammer um die Oberfläche des Stabes 16 oder Rohres 17 eingrenzt.

Die Geschwindigkeit des Brenngases reicht in Anbetracht des außerordentlich hohen Schmelzpunktes des Quarzes gewöhnlich nicht aus, um aus dem geschmolzenen Ende des Quarzstabes Fasern ziehen zu können. Durch die Unterstützung der Hochdruck-Luftumhüllung werden jedoch durch die Wirkung dieser zweiten Gasumhüllung außerordentlich feine Quarzfasern gebildet. Das Hochdruckgas bzw. die Luftumhüllung stellt somit das faserziehende Gas dar.

Die Luftumhüllung oder zweite Gasumhüllung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich und erfüllt drei kritische Funktionen. Sie grenzt die Gasflamme im wesentlichen in Form einer Umhüllung über der Oberfläche des Quarzstabes ein, ergibt die faserbildende oder -ziehende Kraft, welche den Gasflammstrahl beschleunigt und aus dem geschmolzenen Quarz Fasern von wesentlicher Länge zieht, und wirkt als Isolator zwischen der außerordentlich heißen Flammumhüllung 20 und der die Verbrennungskammer bildenden Außendüse 6, die sonst auf Grund der hohen Flammtemperatur schmelzen würde.

Gemäß der Erfindung wird das Schmelzen des Quarzes auf die Verbrennungskammer bei hohen Temperaturen beschränkt, und durch die Bildung der Flammumhüllung werden lange Fasern erhalten, die im übrigen durch die Geschwindigkeit der die Umhüllung bildenden Luft geregelt werden.

Die Bildung der zweiten Gasumhüllung reicht zwar zur Durchführung der Erfindung aus, aber bei Verwendung des Quarzrohres 17 gemäß Fig. 4 wird durch dasselbe Druckluft eingeführt und ein Luft- oder Gaskern gebildet, der während des Hindurchströmens durch das Rohr erhitzt wird, wodurch man ein verstärktes Faserbildungsvermögen der dargestellten Vorrichtung erhält.

Fig. 5 erläutert eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Das Brenngas wird durch ein Gehäuse 21 der Düse 1 in bekannter Weise mittels eines Schlauches 22 zugeführt, und in gleicher Weise wird durch das Gehäuse 21 mittels eines Schlauches 23 dem Luftkegel 14 unter hohem Druck stehende Luft zugeführt, die weiter durch den Durchlaß 9 strömt. Bei dieser Ausführungsform ist die Düse in einen langen Tunnel oder ein Rohr 24 gerichtet oder eingesetzt, das einen wesentlich größeren Durchmesser als die Düse 6, z. B. einen solchen von etwa 15¹A bis 3OV2 cm, und eine Länge von etwa 3,0 bis 4,6 m aufweist, wobei der Auslaß- oder Endteil des Tunnels von einem rohrartigen Sieb 25 gebildet wird, das eine Minderung der

Gasgeschwindigkeit ergibt und auch den Austritt von Kohlenstoffteilchen aus den verbrannten Gasen erlaubt. Es hat sich gezeigt, daß man durch die Verwendung des Tunnels oder Rohres 24 wesentlich längere Fasern erhalten kann. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Fasern scheiden sich längs des Tunnels 24, z. B. bei 26, ab; Messungen der Fasern ergeben Längen zwischen etwa 15¹A cm und etwa 1,8 m, wobei die längeren Fasern überwiegen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Glasfasern durch Zerblasen mit Hilfe einer Gasflamme, die in einer Verbrennungsleitung auf das schmelzende Ende eines Glasstabes gerichtet ist und unter Druck stehendes Gas die Glasfasern auszieht, auf die Herstellung von Quarzfasern, wobei die Gasflamme eine Temperatur von über 1700⁰C hat, die Flamme das Ende des Quarzstabes mit einem unter Druck von 1,4 bis 4,9 atü stehenden Gas umhüllt und die Flamme während ihres Durchtritts durch die Verbrennungsleitung auf den Quarzkörper begrenzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die aus ihrer Bildungsstelle ausgeworfenen Fasern in einen Tunnel leitet, der einen größeren Durchmesser und eine größere Länge als die Verbrennungsleitung hat.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 345 653, 392944, 972, 825 197;

USA.-Patentschriften Nr. 2269 459, 2489 242, 2 822 579, 2 838 882;

Zeitschrift »Metalloberfläche«, Ausg. A, 1952, Heft 6, S. A 87 bis A 92; Ausg. A, 1953, Heft 3, S. A40 bis A47; Ausg. A, 1955, Heft 3, S. A34 bis A41.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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