DE1778504A1

DE1778504A1 - Verfahren zur Herstellung synthetischer Werkstoffe aus Mikrostrukturen

Info

Publication number: DE1778504A1
Application number: DE19681778504
Authority: DE
Inventors: Wenzel Bjoern Ekkehard; Werner Prof Dr-Ing Wenzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-05-07
Filing date: 1968-05-07
Publication date: 1971-08-19

Description

Verfahren zur Herstellung synthetischer werkstoffe aus Mikrostrukturen Die vorliegende Erfindung geht von dem bekannten Tatbestand sius, daß Mikrostrukturen aus Werkstoffen, wie sie beispielsweise durch Fasern, Nadeln oder auch sogenannten Whiskern gegeben sind, eine sehr hohe Festigkeit aufweisen, die die Festigkeit der normalerweise im Makrobereich vorliegenden Werkstoffe bei weitem übertrifft. Für Glasfasern und metallwhisker werden beispielsweise Zugfestigkeiten von mehreren hundert Kilo pro mmz Querschnitt gemessen, wenn solche Mikrostrukturen Abmessungen in der kurzen Achse ( Durchmesser ) von durchschnittlich unter o,o5 mm, vorzugsweise bei o,ool -o,ol mm aufweisen und in der langen Achse ( Faden- bzw. Nadellänge ) von durchschnittlich etwa dem loo - looao-fachen des Durchmessers.
Um diese hervorragenden Festigkeitseigenschaften der Mikrostrukturen von Werkstoffen nutzbar zu machen, wurden bereits eine größere Anzahl von Vorschlägen gemacht und praktisch genutzt, bei denen solche Mikrostrukturen wie Glasfasern oder Metallwhisker unter Nutzung einer diese Strukturen verbindenden Zwischensubstanz zu makroskopischen synthetischen Werkstoffen zusammen gesetzt wurden. Die allgemeine Anwendbarkeit solcher synthetischer Werkstoffe auf der Basis von Mikrostrukturen ist trotz der hervorragenden Festigkeitseigenschaften derselben stark durch die technisch aufwendigen Prozesse für ihre Herstellung aus den Werkstoffen begrenzt. Es ist deshalb eine wichtige Aufgabe, Wege für die technisch einfachere Herstellung solcher Mikrostrukturen zu finden, bzw. solche Materialien durch entsprechende Aufbereitung nutzbar zu machen, die solche Mikrostrukturen enthalten. Die vorliegende Erfindung geht davon aus, daß nadelförmige Mikrostruk@ tunen aus schmelzbaren Werkstoffen, wie Glas und Metalle, auf sehr einfache Weise hergestellt werden können, dadurch, daß man die Schmelzen dieser Stoffe unter Abkühlung einem Schleuder- oder/und Verblasevorgang aussetzt, wobei bei gleichzeitiger Erstarrung langgezogene faden- oder nadelförmige Strukturen aus der Schmelze entstehen. So ist es bekannt und wird seit längerer Zeit großtechnisch genutzt, aus einer Silikatschmelze durch einen Schleuder und/oder Verblasevorgang eine sogenannte Gesteins- oder Schlackenwolle herzustellen. Diese Schlackenwolle besteht aus einem ungeordneten Gemisch von Glasfäden oder Glasnadeln, das normalerweise wegen seines großen Luftzwischenraumes als Isoliermaterial Verwendung findet. Erfindungsgemäß wird aus einem solchen Gemisch von im Gewinnungszustand räumlich ungeordneten Fäden oder Nadeln, die in ihrem Durchmesser normalerweise zum Teil erheblich voneinander abweichen, ein Strang von gleichgerichteten Fäden oder Nadeln hergestellt, der infolge der engen Lagerung dieser Fäden oder Nadeln zueinander eine große Raumerfüllung durch das betreffende Material mit ensprechend hoher Dichte aufweist. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Herstellung eines solchen dichten Materialstranges hoher Festigkeit bestehen einmal in der Aufbereitung des Materialgemisches aus Fäden oder Nadeln verschiedenen Durchmessers unter Gewinnung von Fäden oder Nadeln mit möglichst nahe beieinander liegenden Durchmessern und Zusammenfügung derselben zuy verfestigten Strängen. Diese Aufbereitung kann in ansich bekannter Weise durch Methoden der Windsichtung oder durch Flüssigkeitssetzverfahren erfolgen. Bei der Aufbereitung werden normalerweise räumlich ungeordnete Mischungen von Fäden oder Nadeln eng beieinander liegender Durchmesser gewonnen. Erfindungsgemäß werden diese Gemische durch mechanische und/oder elektrische und/oder magnetische Einwirkung gleichgerichtet bzw. parallel ausgerichtet. Der so erzielte dichte Strang aus parallel angeordnete Mikrostrukturen wird dadurch verfestigt, daß zwischen die Fäden oder Nadeln ein Haft- oder Klebmittel eingebracht wird, mit dessen Hilfe die Oberflächen der Mikrostrukturen fest miteinander verbunden werden. Wird ein solcher verfestigter Strang in seiner Längsachse belastet, so ist seine Zugfestigkeit durch die Summe der im Querschnitt enthaltenen Einzelquerschnitte der Fäden oder Nadeln gegeben. Die Maßnahmen dieser Erfindung sind verschieden, je nach dem um welchen Werkstoff es sich handelt, dessen Mikrostrukturen nach dem Verfahren der Erfindung zu makroskopischen Strängen zusammengesetzt werden sollen.
Es kann sich bei solchen Mikrostrukturen bildenden Stoffen um ferromagnetisches Material handeln, wie dies z.B. bei den nadelfärmigen Eisenwhiskern der Fall ist. Die Parallelrichtung solcher nadelfirmigen ferromagnetischen Mikrostrukturen erfolgt nach der Erfindung unter Ausnutzung der elektromagnetischen Eigenschaften derselben. Es wurde gefunden, daß eine hoch wirksame Parallelrichtung solcher Eisenteilchen erfolgt, wenn man sie auf eine elektromagnetische Wanderfeldfgrderstrecke ansich bekannter Bauart gibt. Bei einer derartigen Verfahrensweise ordnen sich die nadelfirmigen Eisenteilchen zu dichten parallel ausgerichteten Strängen zusammen.
Durch einen Kunstgriff läßt es sich erreichen, daß auch solche nadelfirmigen Mikrostrukturen, die von Natur aus nicht ferromagnetisch sind, wie beispielsweise Nichteisenmetalle oder Gläser mit der gleichen Verfahrensweise, parallel ausgerichtet werden kinnen. Diese Maßnahme besteht darin, daß diese nadelfirmigen Mikrostrukturen vor ihrer Parallelrichtung mit einem Überzug von ferromagnetischem Material, wie Bisen und/oder Magnetit, versehen werden.
Solche Überzüge aus ferromagnetischem Material assen sich erfindungsgemäß auf verschiedene Weise herstellen, Beispielsweise ergibt sich ein solcher Überzug im Falb, daß die Nadeln aus einem unedleren Metall als Eisen, wie Aluminium, bestehen, dadurch, daß man die Nadeln mit einer flüssigen Eisensa.lzlisung, wie Eisenchlorid, in Berührung bringt, Hierbei scheidet sich metallisches Eisen auf der Nadeloberfläche ab, wobei in ansich bekannter Weise die Dicke der abgeschiedenen Schicht und die ,Ausbildung derselben durch die Eisensalzkanzentration in der Lisung,durch die Behandlungstemperatur, die Behandlungszeit und durch die Anwesenheit von Stoffen, die die Fällung beeinflussen, bestimmt wird. Der Überzug von ferromagnetischem Material auf den nicht magnetischen Nadeln kann auch dadurch herbeigeführt werden, daß Eisenverbindungen, wie beispielsweise Eisenhydroxyd, auf der Oberfläche durch Fällung mit einem alkalischen Reagenz abgeschieden werden. Nach der Abscheidung einer in seiner Dicke und seiner Abscheidungsform gesteuerten Schicht von Eisenhydroxyd werden die Nadeln mit ihrem iberzug getrocknet und durch Behandlung bei erhöhter Temperatur, wie beispielsweise 4oo - 6ooo C, mit einem gasförmigen Rec#uktionsmittel, wie beispielsweise CO-Gas, in magnetischen Magnetit und/oder in metallisches Eisen übergeführt. Für diese Behandlungsweise' eignen sich besonders auch Nadeln aus Glasmaterial. Schließlich wird das Abscheiden magnetischer Schichten auf der Oberfläche der Nadeln erfindungsgemäß auch durch das Bedampfen dieser Nadeln mit Eisenverbindungen, wie beispielsweise Eisenchlorid erreicht. Im Falle der Eisenchloridschicht wird diese nachfolgend bei Temperaturen von etwa 4oo - 6ooo C mit Wasserstoffgas behandelt und dadurch ganz oder teilweise in metallisches Eisen umgewandelt.
Eine andersartige Methode, um nadelförmige oder fadenfirmige Mikrostrukturen gleichzurichten, besteht darin, daß die Nadeln in einem strömendem Medium wie Luft oder Wasser aufgewirbelt werden. Beim Absetzen der nadelfärmigen Körper auf dem Boden des durchstrimten Gefäßes werden diese in Strsmungsrichtung ausgerichtet und prallel zueinander abgelegt. Die hierbei sich ergebenden Abweichungen einzelner Nadelrichtungen von der Hauptrichtung des sich ergebenden Stranges lassen sich durch eine nachfolgende mechanische Behandlung des Stranges beseitigen. Wird beispielsweise ein solcher Strang'zwischen zwei ebenen Platten hindurchgeführt, die bei leichtem Anpreßdruck gegen den Strang senkrecht zur Strangrichtung eine geringe Bewegung ausführen, so findet eine Einfirmung noch nicht vollständig ausgerichteter Teilchen in die Strangrichtung statt. Auch das Hinwegführen eines solchen Stranges über einen Siebboden, durch den hindurch kurze, senkrecht zur Strangrichtung verlaufende Stromstöße des fluiden Mediums gegeben werden, führt zu einer weitgehenden Ausrichtung der Teilchen in die Hauptrichtung des Stranges.

trostatische Kräfte für die Parallelrichtung der faden- bzw. nadelförmigen Mikrostrukturen herangezogen werden. Ein derartiges Verfahren-nach der Erfindung wird so ausgeuÜbt, daß mittels Sprühelektroden auf der Oberfläche der Nadeln negative Ladungen aufgebracht werden, die in einen elektrischen Feld elektrostatische Gleichrichtungskräfte auf die Nadeln ausüben.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Herstellung synthetischer Werkstoffe aus Mikrostrukturen, die aus fadenfirmigen oder nadelfirmigen Stoffteilchen bestehen mit Abmessungen in der kurzen Achse ( Durchmesser ) von durchschnittlich unter o,o5 mm, vorzugsweise bei o,ool bis o,ol mm und in der lagen Achse ( Faden- bzw. Nadellänge ) von durchschnittlich etwa dem loo - loooo-Fachen des Durchmessers, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gewinnungszustand räumlich ungeordneten Fäden oder Nadeln durch mechanische und/oder elektrische und/oder magnetische Einwirkung gleichgerichtet bzw. parallel gerichtet werden, worauf die parallel zueinander angeordneten Fäden oder Nadeln an ihren Oberflächen durch fiaft- oder Klebmitteln unter Bildung eines durchgehenden, praktisch endlos herstellbaren Stranges miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung hochfester Stränge aus nadelfirmigen Eisenteilchen ( sogenannten Eisenwhiskers ), gekennzeichnet durch die Parallelrichtung der Nadeln durch Befiirderung derselben über eine elektromagnetische Wanderfeldferderstrecke. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nadelförmige Mikrostrukturen vor ihrer Parallelrichtung mit einem Überzug von ferromagnetischem ,Material wie Eisen versehen werden. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß nadelförmige Mikrostrukturen aus einem unedleren Metall als Eisen wie Aluminium mit einer flüssi- gen Eisensalzlösung wie Eisenchlorid zum Zwecke der Ab- scheidung von metallischem Eisen auf der Nadeloberfläche in Berührung gebracht werden. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß Eisenverbindungen wie Eisenhydroxyd auf der Oberfläche von nadelförmigen Kirpern wie Glasfasernadeln durch Fällung mit einem alkalischen Reagenz abgeschieden werden, wonach die mit einem Eisenhydroxydtiberzug versehenen Glasnadeln getrocknet und durch Behand- lung bei erhöhter Temperatur wie 4ooo C bis 6oö C mit einem gasfirmigen Reduktionsmittel wie Co in magnetisches Ragnetit oder/und in metallisches Eisen übergeführt werden. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß eine Eisenverbindung wie Eisenchlorid auf die Oberfläche von Glasnadeln aufgedampft wird, wonach die Eisenchloridschicht durch Behandlung mit Wasserstoffgas bei. 4oo bis 6ooo C in metallisches Eisen umgewandelt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nadelfirmigen Teilchen, wie Glasnadeln, in einem strimenden Medium wie Luftoder Wasser aufgewirbelt wer- den und danach unter des Einfluß des strömenden Mediums sich am Boden des durchstrimten Gefässes absetzen, wobei dieser Vorgang mehrmals nacheinander durchgeführt werden kann. B. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekenn- zeichnet, daß Stränge aus faden- bzw. nadelfirmigen Mikrostrukturen zur Vervollständigung der Einordnung der Einzelteilchen in die Strangrichtung einer Walk- und Preßbehandlung ausgesetzt werden, derart, daß von den Wänden her, gegen die der Strang anliegt, ein Preßdruck auf den Strang ausgeübt wird, wobei die Wände gleichzei- tig geringe Bewegungen, vornehmlich senkrecht zur Haupt- richtung des Stranges, ausführen. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Glasnadeln elektrostatischen Kräften ausgesetzt werden, wobei die Oberfläche der Glasnadeln durch eine Sprühelektrode mit elektrischen Teilchen auf- geladen wird.