DE1596670C3 - Verfahren zur Herstellung von Fasern aus bei hoher Temperatur schmelzbarem Material wie Glas und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Glasfasern werden hergestellt, indem man geschmolzenes Glas durch die öffnungen einer Düse als Fasern oder Fäden fließen läßt, sie dann kühlt und auf eine Trommel usw. zieht. Die Vorrichtungen zum Schmelzen des Glases, die Stutzen oder Sammelleitungen zum Zuführen des geschmolzenen Glases an die Düsen, die Düsen selbst sowie die dazugehörige Ausrüstung haben eine beträchtliche Ausdehnung. Es ist eine sorgfältige Temperaturregelung und Isolierung nötig, um die Düsen auf einer genauen Temperatur zu halten. Die Düsen und Stutzen bestehen aus teuren Materialien, wie Platin, ihre Reparatur und ihr Ersatz sind schwierig und zeitraubend. Infolge der hohen Verschmelzungsneigung von flüssigem Glas werden in herkömmlichen Glasfaser-Vorrichtungen Düsen mit großen, komplexen, einzelnen fabrizierten und in weitem Abstand angeordneten Öffnungsnippeln verwendet, um die notwendige Trennung der gezogenen Fasern zu erreichen. Gewöhnlich liefert jede Düse 204 Fasern oder Fäden. Im allgemeinen brechen während des Durchsatzes von kg Glas mehrere Fäden und bilden große Glastrop-

fen. Wenn- ein Tropfen benachbarte Fäden berührt, werden die benachbarten Fäden ebenfalls in einem sich schnell erweiternden Ring gebrochen. Die Düsenbohrungen müssen deshalb in genügend weitem Abstand voneinander angeordnet sein. Wenn der Durchsatz beendet und der Ziehprozeß aufgehört hat, beginnt der nächste Durchgang für den vollen Satz von 204 Fäden. Dabei ist eine Warteperiode einzuhalten, währenddes- " sen sich ein Tropfen an jeder Düse durch das aussikkernde Glas bildet; jeder Tropfen muß an die benachharten Tropfen angeschmolzen werden, so daß die während des vorhergehenden Durchgangs gebrochenen Fäden gefangen werden und ein neuer Start möglich ist. Dementsprechend ist allgemein ein Abstand zwischen den Düsenbohrungen erforderlich, der größer als der Radius eines Tropfens, jedoch kleiner als der Tropfendurchmesser ist

Die Viskosität des Glases ändert sich bekanntlich bei oder in Nähe der Faserbildungstemperaturen schnell bei geringen Temperaturänderungen. Wenn fließendes Glas längs seines Fließweges irgendwo gekühlt wird, ergibt sich eine Auskehlung des Flusses, wenn nicht die Temperatur unter großer Sorgfalt gleichmäßig gehalten wird. Die äußerst unsteten Auskehlungseigenschaften von fließendem Glas verursachen schwerwiegende Änderungen der Fließgeschwindigkeit. Das heißere Glas geringerer Viskosität beginnt schneller zu fließen, woBjei es immer mehr Wärme zu seinem Austrittspunkt abführt, während das kühlere und langsamer fließende Glas weiter abkühlt und seine Fließgeschwindigkeit sogar langsamer wird. Solche Unstetigkeiten sind beim Ziehen von Glasfasern unannehmbar. Ein Teil dieser unsteten Fließgeschwindigkeit geht auf den Aufbau der Düsenanordnung bei derzeitigen Vorrichtungen zum Fädenziehen zurück. Die Instabilität ergibt sich aus Unregelmäßigkeiten der Nippelform von Düsen, welche Unregelmäßigkeiten Wärmeverlust durch Strahlung und Konvektion oder bei der Erwärmung durch Widerstandsheizung verursachen. Die Oberflächenbereiche der Düsen sind so groß, daß, wenn möglich, eine Isolierung erforderlich ist, um übermäßige Gesamtwärmeverluste zu vermeiden, was wiederum eine örtliche Temperaturerhöhung hervorruft Der gesamte Öffnungsbereich kann aber nicht isoliert werden und ist den niedrigeren Temperaturen des Raumes ausgesetzt, in dem die Anlage arbeitet Somit sind die Energieverluste in diesem Bereich größer als anderswo im Gesamtsystem. Die höhere Gastemperatur in dem isolierten Bereich und die niedrigere Temperatur des Glases im Öffnungsbereich ergibt örtliche Temperaturdifferenzen, die ihrerseits zu Unregelmäßigkeiten des Glasflusses durch die Düsen sowie auch zu Auskehlungen führen. Eine sorgfältige Temperaturregelung wird mit Mehrfachthermoelement-Temperaturfühlsonden erreicht, welche Stromregulatoren steuern, die ihrerseits den Strom an die Düsen regeln, um eine zur Faserbildung geeignete Durchschnittstemperatur einzustellen. Trotz sorgfältigster Temperaturregelung führen die verbleibenden Vorrichtungsmängel noch immer in gewissem Grade zu Faserbruch. Da Glas zu einem großen Teil aus den öffnungen durch die Zugspannung der derzeitigen Systeme gezogen und diese Spannung durch geringe Änderungen in der Außenumgebung merklich beeinflußt wird, ergibt sich eine nachteilige Wirkung auf die Gleichmäßigkeit der Fäden, was wiederum zu Bruch führt In manchen Vorrichtungen zum Fädenziehen ist aus Kompromißgründen nur ein kurzer Durchsatz von Fäden vorgesehen, aber selbst dann ist.

das Neustarten zeitraubend und bedingt Sorgfalt. Ein typischer Durchsatz verbraucht etwa 0,45 kg Glas, und ein Faserstrang, der aus 30 solchen Durchsätzen hergestellt ist, wiegt etwa 13,5 kg. Daher sind typische Strangpackungen klein, d.h. etwa 13,5 bis 15,7kg; Handhabung und Transport solch kleiner Packungen ist für den Endverbrauch, z. B. in Schichtungsmaschinen, teuer. - . .

Wegen der arbeitsintensiven Wartung von Glasschmelz- und Düsenvorrichtungen ist der Ersatz der teuren Materialien, wie Platin, durch Materialien mit kürzerer Lebensdauer unrentabel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Fasern aus einem bei hoher Temperatur schmelzbaren Material wie Glas zu entwickeln, bei welchem die Materialzufuhr in fester oder flüssiger Form unter Druck an eine Düse erfolgt und trotz der Verschmelzungsneigung des flüssigen Materials wie flüssigem Glas eine kontrollierte Faserherstellung unter Verwendung einer Düse mit vielen eng gruppiert angeordneten Düsenbohrungen statthaft ist Ein solches Verfahren vorteilhaft durchzuführen bedingte eine geeignete Vorrichtung, deren Entwicklung gleichfalls ein Ziel der Erfindung ist

Der Abstand der eng gruppierten Düsenbohrungen zueinander ist erfindungsgemäß so klein, daß die aus den Düsenbohrungen austretenden Glasströme während der Inbetriebnahme an dem Düsenende zusammenfließen würde, wenn lediglich der Druck des geschmolzenen Glases auf diesen Düsenbohrungen lastete. Die Trennung der Glasströme wird jedoch durch Anwendung eines ausreichenden Drucks gewährleistet Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen an Hand spezieller Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Teilansicht mit fortgeschnittenen Teilen einer Glasschmelz- und Faserauspreßvorrichtung,

F i g. 2 eine Ansicht entlang der Linie 2-2 in F i g. 1, F i g. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht, welche im einzelnen einen Teil der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung erläutert,

F i g. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in F i g. 3,

F i g. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 in F i g. 4,

F i g. 6 eine perspektivische Teilansicht eines Teils der in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung,

F i g. 7 eine Aufrißansicht, teilweise im Schnitt, einer anderen Vorrichtung der Erfindung, und

F i g. 8 eine Querschnittsansicht, welche eine Atmosphärensteuereinrichtung zur Verwendung in der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein bei hoher Temperatur schmelzbares Material, wie Glas, auf eine Temperatur erhitzt bei welcher es flüssig wird, und in eine Düse gedrückt, die eine Vielzahl von eng gruppierten einfachen und dünnen öffnungen aufweist, wodurch der Ausstoß des Glases als Fasern oder Fäden durch die Düsenbohrungen bewirkt wird. Das Glas kann in einem Ofen erhitzt und in die Düsen gepumpt oder sonstwie gepreßt werden, oder festes Glas kann in eine Düse gepreßt werden, weiche eine ausreichende Temperatur hat, um das Glas zu schmelzen. Der Bereich der Düsenbohrungen ist nach außen konvex ausgebildet wobei der tiefste Punkt der Krümmung in Richtung des Fadenausstoßes zeigt Eine typische Düse kann 204 dicht gruppierte Düsenbohrungen einer Flä-

ehe eines kleinen Bruchteils von 2,54 cm zum Auspressen von 204 Fäden enthalten.

In der Ausführung nach F i g. 1 bis 6 ist eine Sammelleitung 10 mit einem Ofen 11 od. dgl. gekoppelt, welcher geschmolzenes Glas in die Sammelleitung 10 liefert. Obwohl nicht gezeigt, ist vorzugsweise eine Druckquelle, z. B. eine Flüssigkeitspumpe vorgesehen, um einen geeigneten Druck auf das geschmolzene Glas in der Sammelleitung 10 auszuüben. Die Pumpe dient auch zum Mischen und Homogenisieren des flüssigen Glases und zur Befreiung des Glases von Blasen.

Mehrere Speiseleitungen 12 und 13 sind an der Sammelleitung 10 vorgesehen, und erstrecken sich von jeder Seite derselben aus, um flüssiges Glas aus der Sammelleitung an die entsprechenden Düsen 14 und 15 zu _J5 befördern. Sowohl die Sammelleitung als auch die Speiseleitungen können aus mit Nickel umkleidetem Molybdän hergestellt sein, und die Zuführungsleitungen können in die Sammelleitung geschraubt sein. Die Düsen 14 und 15 werden durch entsprechende, elektri- _M sehen Strom führende Federn 16 und 17 in Stellung gehalten. Die Federn 16 bzw. 17 sind an einer Sammelschiene 18 bzw. 19 befestigt, wobei beide Sammelschienen in geeigneter Weise in den in F i g. 2 gezeigten Stellungen gehalten werden. Die Sammelschienen sind mit einer elektrischen Stromquelle verbunden; der Strom fließt von einer Sammelschiene zur anderen über die Federn 16 und 17, die Düsen 14 und 15, die Speiseleitungen 12 und 13 und die Sammelleitung 10, um die Düsen 14 und 15 auf einer ausreichenden Temperatur und das Glas darin flüssig zu halten. Obwohl nur 36 Speiseleitungen und Düsen in F i g. 1 gezeigt sind, können mehr oder weniger verwendet werden und typischerweise sind 60 für den Ausstoß von 60 Strängen mit 204 Fasern vorgesehen.

Jede Düse 14 und 15 hat vorzugsweise abgeschrägte Enden 22 und 23, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Das Ende 22 jeder Düse paßt mit der abgeschrägten oder kegelstumpfförmigen Oberfläche 24 zusammen, die durch ein Lager 25 (s. F i g. 3 und 6) in dem unteren Ende jeder Feder vorgesehen ist, wie die in F i g. 3 gezeigte Feder 16. Das Ende jeder Speiseleitung hat eine abgeschrägte Oberfläche 27, mit welcher das Ende 23 der entsprechenden Düse zusammenpaßt. Vorzugsweise haben die Enden 22 und 23 der Düsen einen 45°-Win- ^₅ kel, wobei die Oberflächen 24 und 27 ebenfalls unter einem 45°-Winkel abgeschrägt sind. Wie nachfolgend ersichtlich wird, ist jede der Düsen 14 und 15 vorzugsweise ein dünnwandiges Rohr und so sind die Abschrägungen an den Enden derselben tatsächlich sphärisch, wodurch kleinere Fehlausrichtungen kompensiert werden. Es sind Halbschalenführungen 28 und 29 an den entsprechenden Federn 16 und 17 vorgesehen, um den Einsatz der Düsen zu erleichtern. Diese Ausbildung erleichtert zusammen mit den Federn 16 und 17 die Entfernung und das Wiedereinsetzen der Düsen.

Jede Düse 14 und 15 enthält zahlreiche Düsenbohrungen 30 (F i g. 3 bis 5), durch weiche das flüssige Glas in Form vieler Fäden 31 ausgepreßt wird. Diese Düsenbohrungen sind im Boden der Düse entfernt von dem Außenende 32 der Düse vorgesehen, insofern dieses Ende kühler als der restliche Düsenteil ist und sich das' flüssige Glas 33 an diesem Ende verfestigt, wie es durch das Bezugszeichen 34 angezeigt ist. Typisch beträgt die Länge der Düse das 5fache oder mehr der Längsausdehnung des Düsenbohrungsbereichs.

Die Sammelleitung 10 und die Speiseleitungen 12 und 13 sind mit einer Isolierung 40 versehen. Kühlwindungen 41 und 42 sind um die entsprechenden Speiseleitungen 12 und 13 vorgesehen, wobei sich die Enden 43 und 44 der Windungen 41 und die Enden 45 und 46 der Windungen 42 durch die Isolation 40 hindurch erstrecken. Die Isolation 40 dient dazu, die Wärmestrahlung aus der Sammelleitung und den Speiseleitungen einzuschränken. Keine Isolation ist an den Düsen 14 und 15 vorgesehen. Die Windungen 41 und 42 können mit einer Wasserquelle verbunden sein, um zur Kühlung des Glases in den entsprechenden Speiseleitungen 12 und 13 beizutragen und gegebenen- oder nötigenfalls eine oder mehrere der Düsen 14 und 15 zu wechseln. Die Federn 16 und 17 können aus einem geeigneten elektrischen Leiter hergestellt sein, der stark genug ist, die diesbezüglichen Düsen bei den benutzten FIüssigglasdrücken in Stellung zu halten. Molybdän ist dafür geeignet und selbst Kupfer kann benutzt werden, wenn niedrige Drücke verwendet werden, da dann weniger Kraft erforderlich ist, um die Düsen in Stellung zu halten und mit den Speiseleitern abzudichten.

Gegebenenfalls kann ein Transformatorkern 50 um die Sammelleitung 10 vorgesehen sein, wie in F i g. 1 gezeigt ist. Eine Primärwicklung 51 ist auf den Kern 50 gewickelt, wobei die Sammelleitung 10 als der Sekundärteil des Transformators dient. Ein vollständiger Sekundärstromkreis ist durch den Ofen hindurch vorgesehen, und der Sekundärstrom durch die Sammelleitung hält die Sammelleitung und das darin befindliche Glas heiß.

Als Beispiel einer geeigneten Ausführungsform können die Düsen, wie die Düsen 14, die in den F i g. 3 bis 5 gezeigt ist, aus einem Molybdänrohr hergestellt sein, welches mit einer Nickel-Chrom-Legierung verkleidet ist. Die Wanddicke A beträgt 0,5 mm, der Durchmesser B für jedes von 204 Bohrungen beträgt 0,33 mm, der Mitte-zu-Mitte-Umfangsabstand C beträgt 0,5 mm, der Innendurchmesser D des Rohres ist 6,35 mm und der Mitte-zu-Mitte-Längsabstand E ist 0,655 mm. Die Düse ist 25,4 cm lang. E-GIas mit einer annähernden Zusammensetzung von 53% Siliciumdioxid, 18% Aluminiumoxid, 7% Boroxid, 4,5% Magnetsiumoxid und 17% Calciumoxid wurde auf etwa 1177° C erhitzt und in die Düse durch eine Blasen zurückweisende Flüssigkeitspumpe konstanten Drucks gedrückt, wobei in dem Glas ein Druck von 35,2 kg/cm² geschaffen wurde, um das Auspressen von Fäden zu beginnen. Nachdem der Ausstoß beginnt und die Trennung der Fäden eintritt, kann der Druck auf etwa 10,5 kg/cm² reduziert werden. Ein Startdruck von 14,1 kg/cm² und ein Gangdruck von 3,52 kg/cm² ist für das gleiche Glas bei einer ähnlichen Temperatur mit einer 204-Düse ausreichend, die einen Innendurchmesser D von 9,45 mm, eine Wandstärke A von 0,635 mm, einen Öffnungsdurchmesser von 0,46 mm, einen Mitte-zu-Mitte-Abstand C und E von 0,76 mm hat

Beispielsweise kann der Druck reduziert werden oder die Düsen mit den Speiseleitungen und der Sammelleitung können gedreht oder auf einem gewünschten Winkel, einschließlich aufwärts, gekippt werden. Nachdem die Trennung eintritt, wird der Druck in dem flüssigen Glas gesenkt und die Fasern bleiben getrennt, solange der Glasfluß nicht unterbrochen wird. Die Lebensdauer einer Düse kann wesentlich durch die Druckreduzierung erhöht werden, nachdem die anfängliche Trennung erreicht ist.

Die Fasern werden ausgepreßt und von einer Trommel oder Spule aufgenommen, z. B. einer Trommel 53. Die Trommel spannt die Fasern, um den Durchmesser

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derselben herabzusetzen; oder ein Düsenluftstrom pischer Startdruck gegen die Stäbe sind 140,6 bis 210,9

kann gegen die Fasern gerichtet werden, um den Strö- kg/cm².

mungswiderstand derselben zu erhöhen. Beispielsweise Ausgezeichnete Resultate sind durch die Benutzung bildet ein aus einer Düsenbohrung mit 0.254 mm eines Molybdänrohres, verkleidet mit einer Nickel-Durchmesser ausgepreßter Faden eine Faser mit einem 5 Chrom-Legierung, erzielt worden, welches einen InDurchmesser von 0,33 mm, welcher dann typischerwei- nendurchmesser von 6,35 mm, eine Länge von 73,66 cm se auf 0,097 mm reduziert wird. und eine Wanddicke von 0,51 mm hat, bei einer Tempe-

AIs Ergebnis der extremen Verkleinerung der Düsen ratur von annähernd 1149°C. 204 Düsenbohrungen von sind Energieverluste aus Strahlung und Konvektion be- 0,254 mm waren vorgesehen bei 0,635 mm Mitten in deutungslos, und an den Düsen ist keine Isolation erfor- 10 Längsrichtung und 0,381mm Mitten in Umfangsrichderlich. Ferner kann mit großer Genauigkeit die Errei- tung. Der Düsenbohrungsbereich war vier Loch breit chungund Aufrechterhaltung der gewünschten Tempe- und 51 Löcher lang. Es war kein Glastank oder Ofen raturen ohne Temperaturregelung wegen der Heizele- erforderlich, da die Düse 57 selbst die Schmelzfunktion mentfunktion der kleinen Düsen erfolgen. Die einzige ausübte. Das Glas wurde in Form der Glasstäbe 55 und erforderliche Vorrichtung zur Temperaturaufrechter- 15 56 eingeführt, wobei jeder durch mit Gummioberflähaltung ist ein einfacher Spannungsregler. Wenn ein- chen versehene Walzen angetrieben wurde. Die unmitmal die gewünschte Temperatur mit einem Pyrometer telbare und stabilisierte Trennung aller Fäden wurde erreicht worden ist, hält der Spannungsregler diese während einer wesentlichen Anzahl von Probeläufen Temperatur aufrecht. Da Rohrmaterial für Düsen, wel- erzielt, ungeachtet der Länge jedes Laufs, und zwar ches eine sehr genaue Abmessung und gleichmäßigen 20 durch Benutzung von 70,3 kg/cm² Druck auf die Stäbe, Querschnitt hat, verfügbar ist, bietet die Düse ein sehr wobei die Fäden nach unten ausgepreßt wurden, geeignetes Heizelement, dessen Temperatur genau al- Es sind Stäbe verschiedenster Zusammensetzung zu lein durch den Spannungsregler gesteuert werden kann. Fasern verarbeitet worden. Ein gewisses Ausmaß von Obwohl von der Düsenwanddicke und der Glasart ab- Oberflächenwirkung ist festgestellt worden, welche hängig, ist ein Strom von annähernd 1800 Ampere in 25 eine gelegentliche Blase bewirkte und einen gelegentliden Sammelschienen bei 4 oder 5 Volt für eine chen Faserbruch zur Folge hatte. Dies kann aber durch 60-Strang-Vorrichtung der in F i g. 1 gezeigten Art ge- sorgfältige Wahl der Stäbe und richtiges Halten und eig'mk Beispielsweise war der Gesamtverbrauch an Behandeln der Stäbe vermieden werden, um Einritzen Leistung, um das Glas zu schmelzen, einschließlich und Verunreinigungen derselben zu verhüten. Strahlungs- und Konvektionsverluste annähernd '/3 30 In jeder der in den F i g. 1 oder 7 gezeigten AusfühkWh je 0,45 kg. Diese Faktoren ermöglichen Fasern rungen können die Düsen aus verschiedenen Materiakonstanten Durchmessers kontinuierlich tagelang ohne Iien, wie Nickel-Chrom-Legierungen, Molybdän, Platin, einen einzigen Faserbruch auszustoßen oder auszu- Molybdän, verkleidet mit einer Nickel-Chromlegierung pressen. usw., hergestellt sein. In Düsen großer Abmessungen

F i g. 7 erläutert eine Ausgestaltung, wobei feste 35 können die Löcher mechanisch gebohrt sein. Die DQ-Glasstäbe 55 und 56 in die entgegengesetzten Enden senbohrungen können sich radial von dem Querschnitt einer Düse 57 gepreßt werden. Es können eine Reihe der Düse oder parallel zueinander erstrecken. Die Düvon Gummiwalzen 58 und 59 verwendet werden, um senbohrungen in kleineren Düsen werden vorzugsweidie entsprechenden Stäbe 55 und 56 in die Düse zu se durch Lichtbogen erzeugt Hierbei können Wolframtreiben. Wahlweise kann ein Ende der Düse 57 ge- 40 drähte mit einem Durchmesser annähernd 0,0254 mm schlossen sein, wobei ein einziger Glasstab nur in das kleiner als die gewünschte Bohrung benutzt werden, offene Ende eingeführt wird. Die Enden der Düsen 57 Die Düse wird in Kerosin getaucht und mit dem positisind in öffnungen in Sammelschienen 60 und 61 befe- ven Pol einer Spannungsquelle verbunden. Der andere stigt, welche Strom durch die Düsen leiten, um das dar- Pol der Spannungsquelle wird mit den Wolframdrähten in befindliche Glas zu schmelzen. Die Sammelschienen 45 verbunden, um Lichtbogen zu erzeugen, sind durch Kühlwindungen 62 wassergekühlt und kön- Ein '/2 μΡ-Kondensator mit einer 150-Volt-Spannen aus Kupfer hergestellt sein, wobei die Düsen ange- nungsquelle reicht aus. Vorzugsweise wird das Kerosin lötet sind. Insoweit die Sammelschienen 60 und 61 was- vibriert. Auf diese Weise können sehr saubere Düsensergekühlt sind und die Hitze abstrahlen, sind die En- bohrungen gebildet werden. Genauere Bohrungen könden der Düsen 57 über eine kurze Strecke, z. B. 50 nen durch Benutzung einer niedrigeren Spannungsquel-635 mm von den Sammelschienen kühler. Daher ist der Ie erhalten werden. Die Enden der Wolframdrähte kön-Bereich der Düsenbohrungen 63 zwischen den Enden nen durch Lichtbogenbildung in Kerosin an einer flader Düsen angeordnet, anstatt angrenzend an einem chen Metallplatte vorbereitet werden. Ende derselben. Es ist verständlich, daß mehr als eine Der Abstand der Düsenbohrungen ist so klein, daß Düse 57 mit den Sammelschienen 60 und 61 gekoppelt 55 sich zwei Tropfen solange einander berühren und zu sein kann, um mehrere Stäbe aufzunehmen und mehre- einem Tropfen zusammenfließen wurden, bis der Druck re Gruppen von Fasern auszupressen. genügend erhöht ist, um die Trennung der Ströme zu

Wenn Strom an den Düsen 57 angelegt wird, begin- bewirken. Vorzugsweise haben die Düsenbohrungen

nen die Innenenden der Stäbe 55 und 56 zu schmelzen. eine Tiefe, die geringer ist als ihr Umfang, um die

wie es durch das Bezugszeichen 65 angezeigt ist. Vor- 60 Bruchfestigkeit und die Zahl der Bohrungen maximal

zugsweise werden hohe Antriebsdrücke auf die Stäbe zu machen, die in dem Öffnungsbereich der Düse vor-

55 und 56 ausgeübt, was die Innenenden derselben ver- gesehen werden können. Der Öffnungsbereich mißt im

anlaßt, gegen die Innenwand der heißen Düse zu flie- allgemeinen nur einen Bruchteil von 2,54 cm²: typische

Ben, wodurch ein schnelles Schmelzen des Glases be- Mitte-zu-Mitte-Abstände messen etwa das l²/3fachebis

wirkt wird. Das Glas wird kräftig aus den Düsenboh- 65 2'/2fache des Bohrungsdurchmessers in Längsrichtung

rungen 66 in dem Öffnungsbereich 63 ausgepreßt. Auf und etwa das V/2- bis l²/3fache des Bohrungsdurch-

diese Weise wirkt die Düse 57 sowohl als Ofen wie messers in Umfangsrichtung.

auch als Mittel zum Auspressen der Glasfäden. Ein ty- Eine besonders zweckmäßige Düse ist rohrförmig

.und besteht aus mit einer Nickel-Chrom-Legierung verkleideten Molybdän, versehen mit einem Platinüberfang an der Außenseite des Rohres, um Strahlungsverluste zu verringern.

Die Tiefe der Bohrungen ist zweckmäßig nicht größer als ihr doppelter Durchmesser.

Durch die Benutzung eines Öffnungsbereichs, der eine im wesentlichen konvexe Außenkontur hat, wobei mindestens der Mittelteil des Öffnungsbereichs in der Richtung des Materialaustritts, d.h. des Fadenausstoßes, verläuft; sowie mit geeigneten Drücken ist es möglich, nur eine einfache kleine Düsenbohrungen, sowie kleine unisolierte Düsen von verschiedener Form zu benutzen. Ohne einen Öffnungsbereich dieser Art sind wesentlich größere, wie 15fache Drucke erforderlich, um die Fasertrennung zu erreichen. Die Kugel ist die ideale Form für Düsen für die optimale Festigkeit bei den auftretenden Drücken und Temperaturen, die sonst ein Kriechen und Bruch bewirken würden. Die nächstbeste Form ist zylindrisch und verschiedene Vorteile leiten sich von rohrförmigen Düsen ab, weil ein kleines rundes Rohr auch eine ideale Form bildet, um den erforderlichen Drucken und Temperaturen zu widerstehen. Es ist eine leicht und genau reproduzierbare Form und schafft eine Düse mit idealer gleichmäßiger Temperatur, wobei sie auch gestattet, die Gesamtvorrichtung größenmäßig zu verringern. Die zylindrische FonyrJst natürlich die bevorzugte Form für mit einem Glasstab oder Glasstäben benutzte Düsen.

Obwohl eine rohrförmige Düse für hohe Drucke zu bevorzugen ist, kann der Öffnungsbereich andere Formen haben. Jedoch ist es wichtig, daß die Kanten des Öffnungsbereichs höher als der Rest des Bereichs liegen. Beispielsweise erfüllt ein abgeflachter, umgekehrter gewölbter Öffnungsbereich dieses Erfordernis. Eine kreisförmige, umgekehrte, gewölbte Öffnungsplatte hat ausgezeichnete Fasern über beträchtliche Zeiträume erzeugt. Eine sphärische unabgeflachte Oberfläche wird meistens gegenüber dem abgeflachten gewölbten Öffnungsbereich bevorzugt

Andere druckbeständige Formen sind geeignet, z. B. EHipsoide, in welchem Falle der Radius sehr kurz sein sollte, d.h. in der Größenordnung des Durchmessers eines Glastropfens, vorzugsweise 635 mm oder weniger, da dies weitgehend den erforderlichen Druck reduziert, um eine automatische Trennung von Fäden zu erhalten. Im Falle eines Zylinders oder Ellipsoides sollte die Achse des Zylinders oder die lange Achse des Ellipsoides horizontal sein, weil die Abweichung von einer horizontalen Lage eine schnelle proportionale Zunahme im Druck bewirkt, der zur Erzielung der Fadentrennung erforderlich ist Andere geeignete Formen sind konisch, sowie Formen, die von einer in einer oder zwei Ebenen gekrümmten Fläche abgeleitet sind.

Solange die Außenwand des Öffnungsbereichs im allgemeinen konvex oder bogenförmig oder in der Richtung des Fadenausstoßes gewölbt oder gekrümmt ist, können ausgezeichnete Fäden mit verschiedenen Bohrungsabmessungen, Abständen und Rohi en hergestellt werden.

Beispielsweise sind befriedigende Resultate mit einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 2,54 cm und 50,8 cm Länge erreicht worden, welches Bohrungen von 1,58 mm hatte, wobei ihre diesbezüglichen Mittenabstände 3,15 mm betrugen. 0,35 kg/cm² Druck reichten aus, um die Trennung der Fasern zu erzwingen, und selbst weniger Druck war erforderlich, um die Trennung zu unterstützen. Je größer die Düsenbohrungen und die Abstände und je größer das Rohr, desto kleiner ist der Druck, welcher zur anfänglichen Trennung erforderlich ist. Die Düsenbohrungen waren mechanisch gebohrt. Wenn sie kleiner sind, wird der für die Trennung erforderliche Druck größer, bis eventuell die hohe Geschwindigkeit des ausgepreßten Glases eine bemerkenswerte Erosion der Bohrungen bewirkt. Ein Beispiel einer passenden kleinen Testgrößendüse war ein Innendurchmesser von 4,5 mm, eines 7,62 cm langen Rohres mit 1,524 mm Durchmesser der Düsenbohrungen bei 0,50 mm Mitten.

Da der Bereich einer Düse gemäß der Erfindung wesentlich geringer als der Bereich oder die Fläche von Standarddüsen ist, sind ihre Energieverluste aus Strahlung und Konvektion sehr niedrig. Ein an der Außenseite der Düse angebrachter Überfangüberzug aus Platin kann benutzt werden, um den Energieverlust zu reduzieren. Wegen der Symmetrie einer rohrförmigen Düse sind unbedeutende Kosten bei dem kleinen Ausmaß von ausgestrahltem Energieverlust vorhanden. Die Energieverluste sind gleichmäßig über die Oberfläche der unisolierten Düse verteilt und stellen sicher, daß das Glas eine richtige homogene Viskosität hat.

Der Durchgang durch die Düse, der in einem typisehen Düsenkörper der bisherigen Technik benutzt wird, ist relativ lang, beispielsweise 3,15 mm, und der Durchmesser desselben ist relativ groß. Diese Düsenbohrungen mit langem und großem Durchmesser ergeben neben den niedrigen Drücken praktisch eine geschlossene Glasmasse, welche sich relativ langsam durch die Düsenbohrung bewegt. Die Strömungsgeschwindigkeit von Glas durch Bohrungen der bisherigen Düsen ist klein, wobei maximal 12,7 mm pro Sekunde erreicht werden. So ist eine lange Verweilzeit des Glases gegeben; allgemein mehr als 250 Millisekunden. Infolgedessen liegt eine wesentliche Temperaturdifferenz zwischen einem Ende und dem anderen Ende der Düsenbohrung vor, was nachteilig für das zu formende Glas ist.

Andererseits wird mit den Düsen der Erfindung erreicht, daß die Verweilzeit des geschmolzenen Glases in der Düsenbohrung, wenn die Faser zu Anfang gebildet wird, wesentlich geringer ist, wegen der relativ dünnen Wand, in welcher die relativ dünnen Bohrungen vorgesehen sind. Die Geschwindigkeit, mit welcher das Glas durch eine begrenzte Zone hindurchfließt, ist wesentlich größer als bei den Vorrichtungen der früheren Technik.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Glas vorzugsweise durch die begrenzten Zonen mit einer Geschwindigkeit von mehr als 25,4 mm pro Sekunde und/oder mit einer solchen Geschwindigkeit hindurchgedrückt, daß die Verweilzeit von geschmolzenem Glas in den genannten Zonen geringer als 25 Millisekunden beträgt. Ein Beispiel sind 10,16 cm pro Sekunde für Ε-Glas, welches für eine Düsenbohrungslänge von 0,05 mm eine Verweilzeit von 5 Millisekunden ergibt. Dementsprechend sichert die sich ergebende kurze Verweilzeit der kleinen Glasmasse in der in jedem Zeitpunkt eine relativ konstante Durchtrittstemperatur. Beispielsweise beträgt die Temperaturdifferenz von Ende zu Ende einer Düsenbohrung nur einige Grade Celsius. Das Glas wird heftig ausgestoßen, anstatt aus den Düsenbohrungen durch Zugspannung gezogen zu werden, wodurch sich eine sehr kurze Verweilzeit in der Düsenbohrung ergibt, die tatsächlich keine strukturellen Deformationen gestattet, wie sie durch die großen Temperaturdifferenzen bisher eintraten. Weiter

tritt keine Auskehlung des fließenden Glases ein.

Es ist gefunden worden, daß die Verwendung von hohem Druck, um das flüssige Glas durch einfache kleine Düsenbohrungen zu drücken. Druckabfall ausschaltet. Ein Druckabfall über die Länge eines Öffnungsbereichs ergibt eine etwas verschiedene Strömungsgeschwindigkeit aus Bohrungen in verschiedenen Stellungen entlang der Öffnungsbereichlänge. Je größer das Verhältnis von Rohrdurchmesser zu Bohrungsdurchmesser ist, desto weniger bemerkbar sind die Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen. Mit 0,254-mm-Bohrungen und 703 kg/cm² ist z. B. der Druckabfall an jeder Düsenbohrung nahezu gleich. Ferner werden bei konstanter Strömungszuführung kontinuierlich gleichmäßige Faserdurchmesser für alle 204 Fäden für ununterbrochene Durchsätze von vielen Stunden erzielt.

Bei der Faserherstellungformt die Düsenbohrung ursprünglich die Faser, und die Faser tritt aus der Düsenbohrung im wesentlichen in einem Kegel aus. Das heißt, der an die Düse angrenzende Teil der Faser hat außen eine längskonische Form, wobei der Scheitel des Kegels im wesentlichen einen Durchmesser hat, der gleich dem Durchmesser der fertigen Faser ist. Bei Vorrichtungen der bisherigen Technik ist die Höhe oder Länge des Kegels im allgemeinen nur einige Durchmesser der Basis, wohingegen die Länge in der Größenordnung des 20fachen oder mehr der Basis ist. Mieder Länge, die wesentlich länger als die Basis ist, ist der eingeschlossene Winkel an dem Scheitel merklich kleiner, was keinen Faserbruch an dem Scheitel ergibt. Dies trifft nicht für herkömmliche Faserherstellungsausrüstungen zu, weil der große Scheitelwinkel einen hohen Bruchanteil an der Grenzschicht des Scheitels und der Faser selbst bewirkt.

Die Fabrikationskosten der Düsen sind relativ niedrig, verglichen mit herkömmlichen Düsen. So kann häufiger Ersatz geboten werden, und es können die billigsten Düsenmaterialien wie Nickel-Chrom-Legierungen verwendet werden. Wegen der kleinen Glasmasse, die jeweils durch jede Düse hindurchtritt, und mit einer rohrförmigen Düse kann eine Erstarrung oder Ausdehnung des Glases an der Innenseite vermieden werden. Es sind nur einige Minuten erforderlich, um die Vorrichtung auf Faserzugtemperatur zu erhitzen oder umgekehrt, um sie auf Arbeitstemperatur abzukühlen. Eine Düse kann in einigen Minuten gewechselt werden, um eine beschädigte, ausgeschlissene oder zufällig verstopfte Düse zu ersetzen, oder Baugruppen für verschiedene Glastypen zu wechseln.

Es ist praktisch, Apparate oder Vorrichtungen gemaß der Erfindung als Primäranlage einer vertikal integrierten Produktionsreihe zu benutzen. Durch die Benutzung einer Vielzahl von Düsen, wie in F i g. 7 gezeigt ist, sowie Glasstäben können Fasern am Beginn einer Fabrikationsstrecke am Eingang einer Schichtungsmaschine hergestellt werden, anstatt in einer entfernten Fabrik, was erfordern würde, daß die Fasern aufgespult, verpackt, versandt, empfangen und sonstwie behandelt werden. Es werden nicht nur wesentliche Ersparnisse erzielt, sondern die Festigkeit der Verbindung zwischen Kunststoff und Glasfaser wesentlich erhöht, wenn die Fasern Sekunden nach der Herstellung der Fasern in den Kunststoff eingekapselt werden.

»m Hinblick auf den ununterbrochenen Faserausstoß und die engen Gruppierungen der fasererzeugenden Düsenbohrungen, 2. B. unterhalb oder in der Nähe des Vorherdes eines kleinen Glasofens, ist es nunmehr praktisch möglich, ununterbrochen den ganzen Strang direkt auf verschickbare Spulen zu wickeln und die Arbeit und kostspielige Wiederaufwicklung von vielen Enden auszuschalten, wie es herkömmlich ausgeführt wird. Es ist möglich, daß durch Drehung der Düsen, nachdem die Trennung erzielt ist, die Fasern nach aufwärts, nach der Seite usw. gezogen werden können. Die niedrigen Strahlungsverluste, verbunden mit keiner versperrenden Isolation, machen es möglich, die Fasern aus der Nähe zu beobachten oder zu fotografieren, wenn sie ausgepreßt werden.

Es ist ersichtlich, daß, da die Düsen relativ klein und leicht herzustellen sind, viele speziellen Materialien äußerst hoher Schmelztemperatur, z. B. Wolfram, Columbium, Molybdän usw., wirtschaftlich zur Konstruktion derselben benutzt werden können. Die Schweißung, welche mit solchen Materialien schwierig ist, ist nicht erforderlich. Wenn Rohr nicht verfügbar ist, kann es auf einer Drehbank aus festem Stabmaterial hergestellt werden. Die inerte Atmosphäre, die durch oxidierbare Materialien erforderlich ist, kann einfach, bequem und billig erhalten werden, indem man ein etwas größeres Rohr 70, wie es in F i g. 8 gezeigt ist, koaxial rund um eine Düse 71 anordnet. Das Rohr 70 kann eine Düsenbohrung 72 an dem Öffnungsbereich der Düse 71 haben und es kann ein langsamer Strom aus inertem Gas in die Kammer zwischen das Rohr 70 und die Düse 71 eingeführt werden, um durch den Schlitz 72 an dem Öffnungsbezirk auszutreten.

Zur Herstellung der Düsen können auch bei hoher Temperatur oxidierbare Metalle verwendet werden, mit Hilfe derer hochtemperaturbeständige und hochfeste Fäden, z. B. aus Spezialgläsern, erzeugt werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zur Herstellung von Fasern aus einem bei hoher Temperatur schmelzbaren Material wie Glas, bei welchem die Materialzufuhr in fester oder flüssiger Form unter Druck an eine Düse erfolgt, die eine Vielzahl von eng gruppierten Düsenbohrungen aufweist, diese Düse erhitzt wird, um das Material zumindest im Bereich der Düsenbohrungen flüssig zu halten, wobei Druck auf das Material ausgeübt wird, um es aus diesen Düsenbohrungen in getrennten Strömen austreten zu lassen, und die aus den Düsenbohrungen austretenden Materialströme ausgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Inbetriebnahme der Düse der auf die enggruppierten Düsenbohrungen der Düse wirkende Druck genügend hoch gehalten wird, um die Wirkung der Oberflächenspannung des Materials zu überwinden und die schnelle Trennung des Materials in getrennte Ströme zu erreichen, und dann der Druck reduziert, jedoch genügend hoch gehalten wird, um das Zusammenfließen der Ströme zu verhindern und die Trennung der Ströme beizubehalten.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas durch die Düsenbohrungen <d\r eng gruppierten öffnungen mit einer Geschwindigkeit von mehr als 2,54 cm/sec und/oder einer Geschwindigkeit fließt, um die mittlere Verweilzeit des geschmolzenen Glases in diesen Bohrungen bei weniger als 25 Millisekunden zu halten.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine rohrförmige Düse verwendet wird, die zur Beheizung in Längsrichtung von elektrischem Strom durchflossen wird.

   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einem Düsenende Wärme abgeführt wird, um das Material dort zu verfestigen.

   5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glasstab an einem Düsenende der rohrförmigen Düse eingeführt wird, der durch Beheizen der Düse geschmolzen wird.

   6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Glasstäbe an beiden Seiten der rohrförmigen Düse eingeführt werden.

   7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch das Einführen der Glasstäbe erzeugt wird.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (14,15) an ihrer Außenseite konvex ausgebildet sind und die Tiefe der Düsenbohrungen nicht größer als ihr doppelter Durchmesser ist.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einhundert Düsenbohrungen (30) einen Öffnungsbereich von weniger als 6,452 cm² bilden.

   10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Düsenbohrungen kleiner als 1,59 mm ist

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Düsenbohrungen zwischen 1,542 mm und 1,59 mm liegt.

   12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitte-zu-Mitte-Abstand der Düsenbohrungen nicht mehr als das Zweieinhalbfache des Durchmessers der Düsenbohrungen beträgt.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (14, 57) rohrförmig ausgebildet sind und der Innendurchmesser der rohrförmigen Düsen kleiner als 2,54 cm ist.

   14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (14) ellipsoidal mit einem sehr kleinen kurzen Radius ausgebildet ist.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Düsen (14, 57) beidseitig einer Sammelleitung (10) angeordnet sind, die an ihren Enden von Trageinrichtungen (16,

   17) gehaltert sind, welche zur Zuführung des elektrischen Stroms dienen.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (14, 57) mit der Sammelleitung (10) durch rohrförmige Speiseleitungen

   ίο (12,13) verbunden sind.

   17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitungen (12,13) abgeschrägte Enden (27) aufweisen, die mit abgeschrägten Enden (23) der Düsen im Eingriff stehen.

   18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtungen (16,17) ein konisch geformtes Lager (28, 29) aufweisen, das federnd gegen die Außenenden (24) der Düsen (14, 15) drückt

   19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelleitung

   (10) durch eine elektrische Induktionsspule (50, 51) heizbar ist.

   20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (71) mit Ausnahme des Öffnungsbereichs von einem Rohr (70) ummantelt ist und der Zwischenraum zwischen Rohr und Düse als Strömungskanal für Druckgas dient.

   21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (14, 15, 57) aus mit Nickel-Chrom-Legierung überzogenen Molybdän bestehen.