DE1902111A1

DE1902111A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Faeden

Info

Publication number: DE1902111A1
Application number: DE19691902111
Authority: DE
Inventors: William Benson; Gordon Short
Original assignee: Cotton Silk and Man Made Fibres Research Association
Current assignee: Cotton Silk and Man Made Fibres Research Association
Priority date: 1968-01-16
Filing date: 1969-01-16
Publication date: 1969-09-04

Description

PATENTAI

DIPL-CHEM. DR.WERNER KOCH DR.-ING. RICHARD GLAWE DIPL.-ING. KLAUS DELFS DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL HAMBURG MÖNCHEN

3000 Homburg 52 · WaltKtrat· 12 · KmI tf 2253

1000 Mlnchtn 23 · LUbktrrilra·· 20 · Ruf 22*54·

J
IHRE NACHRICHT VOM UNSER ZEICHEN MDNCHEN

A 96

THE COTTON SILK AND
MAN-MADE FIBRES RESEARCH ASSOCIATION

Shirley Institute,
Didsbury, Manchester 2o, Lancashire, England

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Fäden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Fäden sowie derartige Fäden bzw. Fas ers trukturen, d.h.j im weitesten Sinne des Wortes_/ kontinuierliche lange und zusammenhängende Strukturen aus Fasermaterial.

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Nach der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Fäden oder ähnlichen Paserstrukturen geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist* daß Fasermaterial verdrillt wird, wobei die einzelnen Fasern so wenig wie möglich um ihre eigene Achse verwunden werden. Dies kann dadurch erzielt werden, daß man die Fasern mehr umeinander rollt, als daß man sie als Bündel verdrillt, wie es bei gebräuchlichen Spinnverfahren zur Herstellung von Textilgamen der Fall ist.

Vorzugsweise ist das Verfahren nach der Erfindung weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern kontinuierlich auf einer Fläche angesammelt werden und daß eine rechtwinklig zu den Längsachsen der Fasern gerichtete Relativbewegung zwischen der Ansammlung und der Fläche aufrecht erhalten wird, um die Fasern umeinander zu rollen.

f' Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial einer ersten kontinufeplich

bewegten Fläche zugeführt wird, daß das Fasermaterial auf eine zweite kontinuierlich bewegte Fläche über-

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tfragen wird, wobei die Flächen so ausgebildet sind und die Zuführung sowie Überführung derart erfolgen, daß das Fasermaterial im wesentlichen der Länge nach auf die erste Fläohe geführt wird, schließlich Jedoch als getrennte Fasern auf der zweiten Fläche, im wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsrichtung, liegt, und daß das Fasermaterial als Faden oder ähnliche Faserstruktur dort kontinuierlich von der zweiten Fläche abgezogen wird, wo die getrennten Fasern

in geeignetem Maße angesammelt und, aufgrund der j

Relativbewegung der zweiten Fläche, verdrillt werden.

Nach der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen, bei der die erste Fläche vorzugsweise die eines Aufnahmezylinders und die zweite Fläche die eines perforierten Zylinders ist. Es sind Mittel vorgesehen, die dafür sorgen, daß das Material vom Aufnahmezylinder mitge- j nommen werden kann, um in ein bewegtes Fluidum, vor- , zugsweise in Luft, eingeführt zu werden. Über das ! ' Fluidum wird es in einen Bereich transportiert, in dem sich die Zylinderfläehen sehr nahe kommen, um auf die Fläche des perforierten Zylinders überführt zu werden, wobei das Fluidum durch die Perforation hindurch geht.

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Es wurde gefunden, daß die Erfindung insbesondere anwendbar ist auf die Herstellung von Fäden oder ähnlichen Faserstrukturen (im weiteren als Fäden bezeichnet) aus Kohlenstoff-Fasern (carbon fibres), die aufgrund ihrer chemiir^—wschen Eigenschaften, und zwar insbesondere aufgrund ihrer Sprödigkeit. nicht mit gebräuchlichen Spinnmaschinen versponnen werden können. Derartige Fäden lassen sich als Versteifung in Metallstrukturen und in Einzelteilen verwenden, die im Betrieb hohen Belastungen ■*· unterschiedlichster Art unterworfen werden. Ins

besondere sind sie dann von Vorteil, wenn die Strukturen oder Einzelteile keine einfache geradlinige Form aufweisen.

Kohlenstoff-Fasern können ohne weiteres als getrennte Bündel von erheblicher Länge, beispielsweise mehreren Zentimetern oder Dezimetern,hergestellt werden. Die Produktion von Fäden aus Kohlenstoff-' Fasern, wie sie im obigen beschrieben wurde, wird dagegen erheblich erleichtert, wenn die Fasern

ihren Ansammlungsbereich in gleichmäßigem Zustrom mit einer Länge von etwa 2 bis 3 Zentimetern zugeführt werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung

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arbeitet derart, daß die Länge der Pasern verkürzt wird und daß die Fasern dem Ansamralungsbereich zugeführt werden. Beides erfolgt kontinuierlich.

Auf den beiliegenden Zeichnungen, an Hand deren das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wird, ist eine Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht der Vorrichtung | nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 1.

Entsprechend den Zeichnungen besteht die Vorrichtung nach der Erfindung im wesentlichen aus einer Fördervorrichtung Io zum Zuführen des Materials, aus einem Paar von Förderrollen 12, die mit weichem

Gummi überzogen sind, aus einem Aufnahmezylinder 14, der mit einem Schild 15 abgedeckt ist, aus einem perforierten Zylinder 16, der eine Abschirmplatte 18 aufweist, aus einer Verfestigungsrolle 2o, aus einem Gebläse 22 und aus nicht gezeigten Mitteln

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zum Abziehen des Fadens 24, der zwischen dem Zylinder 16 und der Rolle 2o ausgebildet wurde. Weiterhin ist ein Querförderer 21 mit einer Reihe von Stiften 22 oberhalb der Fördervorrichtung Io und direkt vor den Förderrollen 12 vorgesehen.

Im Betrieb werden Bündel von Fasermaterial verarbeitet, die beispielsweise aus vollcaTDonisierten Fasern (fully carbonised fibres) von annähernd einem (^ halben Denier bestehen, wobei jede Faser etwa J5o bis

4o Zentimeter lang ist. Jedes Bündel ist ursprünglich etwa 3 bis 4 mm dick, jedoch wird es vor der Verarbeitung in der Vorrichtung ausgebreitet und links - von vorne gesehen - auf die Fördervorrichtung Io gelegt. Die Fasern werden über den Querförderer 21 und zwischen den Förderrollen 12 hindurchtransportiert, um vom Aufnahmezylinder 14 mitgerissen zu werden. Dies führt dazu, daß die Fasern in ihrer Länge auf etwa 2 bis J5 Zentimeter verkürzt werden. ^f Anschließend werden dann die Fasern von dem durch

das Gebläse 22 erzeugten Luftstrom mitgenommen und

folgen dem in der Zeichnung durch Pfeile angegebenen Weg. Sie werden zwischen dem Aufnahmezylinder 14 und dem perforierten Zylinder 16 hindurchgefördert

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und lagern sich auf der Fläche des letztgenannten Zylinders ab. Die Luft wird dabei durch die Perforation abgesaugt.

Der Luftstrom wirkt dabei derart, daß die Fasern im wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgerichtet werden. Wenn sie die Verfestigungsrolle 2o erreichen, werden sie entsprechend der Zeichnung angesammelt und dazu gebracht, sich umeinander zu rollen, wobei eine verdrillte Struktur entsteht. Dabei wird in vorteilhafter Weise der Umstand ausgenutzt, daß sich die Geschwindigkeit eines Luftstromes über einer bewegten Fläche, und zwar senkrecht zur Fläche und von der Fläche weg gerichtet, vermindert. Ein derartiger Luftstrom sorgt dafür, daß sich eine Menge willkürlich orientierter Fasern parallel zu der Fläche ausrichtet. Weiterhin wird von den Eigenschaften konvergierender und divergierender Luftströme Gebrauch gemacht. Ein konvergierender Luftstrom richtet die Fasern in Strömungsrichtung aus, während ein divergierender Luftstrom bewirkt, daß die Fasern quer zur Strömungsrichtung zu liegen kommen. Durch entsprechende Kombinationen von Luftströmen oder Strömen anderer Fluiden kann also die erforderliche Orientierung erzielt werden.

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Die anfänglich verdrillte Ansammlung kann abgeführt und seitlich aus der Vorrichtung heraus auf nicht gezeigte Aufnahmerollen geleitet werden, um schließlich in einem Behälter oder Spulentopf gespeichert zu werden. Vorzugsweise führt man den Faden vor der Speicherung durch eine Verfestigungsvorrichtung, die aus zusammenwirkenden Transportelementen besteht. Diese Transportelemente bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit in Richtung des Padenvorschubs und

^ Io oszillieren dabei gleichzeitig in Querrichtung relativ

zueinander. Eine derartige Behandlung führt daEu, daß die Fläche des Fadens geglättet oder verfestigt wird.

Bei anfänglichen Versuchen ohne den .Querförderer 21 wurde gefunden, daß bei Herstellung feinerer Fäden mindestens der letzte Teil jeder Fasergruppe in der Vorrichtung nicht richtig aufgespalten wurde, was dann zu Ausschuß aufgrund von Klumpenbildungen im Faden führte. Dieses Problem wurde durch die Verwendung des Querförderers gelöst, der dafür sorgt, daß die Enden der Fasern in der Nähe des Abnahmeendes des Zylinders in den Faden eingeführt werden,

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wo sie leichter in den Faden aufgenommen werden können. Außerdem werden die Enden in geringer Anzahl pro Zeit zum selben Punkt gefördert und nicht gleichzeitig, verteilt über die gesamte Breite des Zylinders.

Dieses Problem kann im übrigen auch ohne Verwendung eines Querförderers gelöst werden, sofern man • das letzte Ende, beispielsweise die letzten Zentimeter, jeder Pasergruppe mit einem Klebemittel behandelt.

Sämtliche Endstücke der Pasern werden dann fest zusammengehalten und sind so schwer, daß sie nicht zu dem perforierten Zylinder 16 gelangen können, sondern vielmehr als Abfall in das Bett der Maschine fallen. Das Verfahren zur Herstellung der Faserbündel kann auch ohne weiteres dahingehend abgewandelt werden, daß sämtliche Fasern eines Bündels an einem Ende zusammenhängen. Dabei wird dann ein zusätzlicher Verfahrensschritt überflüssig. Jedoch ist diese Herstellungsweise mit sehr viel Abfall verbunden, so daß die Verwendung eines Querförderers vorzuziehen ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Länge der Fasern in unterschiedlicher Weise gesteuert werden kann.

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IO

Führt man beispielsweise die Fasern in mehr geneigter Orientierung dem Aufnahmezylinder zu, so vermindert sich die endgültige Länge der Fas"ern. Vergrößert man dagegen den Abstand zwischen dem Aufnahmezylinder und der Fördervorrichtung, so wächst die endgültige Länge der Fasern an. Verwendet man schließlich eine endlose Fördervorrichtung zum Zuführen des Materials und leitet die Pasern um ein Paar von Rollen, deren Durchmesser klein ist und die entspre- |P Io chend den Zeichnungen nahe am Aufnahmezylinder angeordnet sind, so läßt sich die endgültige Länge der Fasern aufgrund des geringen Abstandes, den der Spalt zwischen den Rollen zur Fläche des AufnahmeZylinders hält, vermindern.

Da Kohlenstoff-Fasern die Eigenschaft haben, sich nach einer Torsion in hohem Maße zurückzuverformen, ist es als überraschend anzusehen, daß man einen zusammenhängenden Faden herstellen kann. Der Grund für die Möglichkeit, einen zusammenhängenden Faden herzustellen, scheint darin zu liegen, daß man die Fasern dazu bringt, sich umeinander zu rollen, wobei sie dann nur in geringem Maße dazu tendieren, sich um ihre eigene Achse zu verwinden, obwohl die endgültige Struktur des Fadens im Hinblick auf alle praktischen Anwendungsfälle als verdrillte Struktur

angesehen werden kann. Je weniger die Fasern um ihre

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eigenen Achsen verwunden werden, desto größer ist die Permanenz des endgültigen Produktes. Die im Rahmen des Ausfiüirungsbeispiels verwendeten Pasern wurden aus Acrylharzfasern carbonisiert.

Die einzelnen Elemente der Vorrichtung werden mit Vorteil in den Bereichen folgender Geschwindigkeiten angetrieben:

Fördervorrichtung Io

Förderrolle 12 12

Aufnahmezylinder 14

perforierter Zylinder 16

Verfestigungsrolle 2o

Ab zugs ges chwindigke i t
des Fadens

15 cm pro Minute 1 Umdrehung p.Minute

900 Umdrehungen pro Minute

80 Umdrehungen pro Minute

250 Umdrehungen pro Minute

3 m pro Minute.

Die einzelnen Antriebsgeschwindigkeiten sind vorzugsweise veränderbar, wobei die Drehrichtungen den Pfeilen in den Zeichnungen entsprechen.

Es wurde gefunden, daß es vorteilhaft ist, das mit der beschriebenen Vorrichtung hergestellte Produkt vor seiner Verwendung leicht zu verdichten

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zuführt.

oder zu verfestigen, beispielsweise durch einen sanftenj hin und her gehenden,quer gerichteten Reibvorgang. Dies läßt sich in der Weise durchführen, daß man den Faden zwischen zusammenwirkenden Fördervorrichtungen, auf die oben schon Bezug genommen wurde, hindurchleitet. Eine Verbesserung der Eigenschaften des Produktes im Hinblick auf seine leichte Handhabung kann auch dadurch erzielt werden, daß man dem verdichteten Produkt Polyvinylalkohol

Bei seiner Verwendung kann das Garn um einen Formkern oder Spulenhalter gewickelt werden, auf dem dann ein Teil aus Metall oder auch aus Harz ausgeformt wird. Die Kohlenstoff-Fasern verleihen dem Teil eine große Festigkeit, und zwar in der Richtung, in der der Faden verlegt ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Fäden oder ähnlichen Faserstrukturen, dadurch gekennzeich net, daß Fasermaterial verdrillt wird, wobei die einzelnen Fasern so wenig wie möglich um ihre eigene Achse verwunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern kontinuierlich auf einer Fläche angesammelt werden und daß eine rechtwinklig zu den Längsachsen der Fasern gerichtete Relativbewegung zwischen der Ansammlung der Fasern und der Fläche aufrecht erhalten wird, um die Fasern umeinander zu rollen.

5· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial einer ersten kontinuierlich bewegten Fläche zugeführt wird, daß das Fasermaterial auf eine zweite kontinuierlich bewegte Fläche überführt wird, wobei die Flächen.so

sind

ausgebildet und die Zuführung sowie Überführung derart erfolgen, daß das Fasermaterial im wesentlichen

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der Länge nach auf die erste Fläche geführt wird, schließlich jedoch als getrennte Pasern auf der zweiten Fläche, im wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsrichtung, liegt, und daß das Fasermaterial als Faden oder ähnliche Faserstruktur dort kontinuierlich von der zweiten Fläche abgezogen wird, wo die getrennten Fasern in geeignetem Maße angesammelt und aufgrund der Relativbewegung der zweiten Fläche verdrillt wurden.

4. Verfahren nach Anspruch ~$, dadurch gekennzeichnet, daß das Material durch ein bewegtes Fluidum von der ersten Fläche auf die zweite Fläche überführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 5 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Fläche zylindrisch ausgebildet sind, wobei das Material im wesentlichen radial auf die erste Fläche und im wesentlichen tangential auf die zweite Fläche geführt wird so wie von der zweiten Fläche parallel zur Zylinderachse abgezogen wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Fasern vor dem Verdrillen auf etwa 2 bis 5 Zentimeter vermindert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden, bzw. die Faserstruktur anschließend verfestigt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstruktur anschließend mit Polyvinylalkohol behandelt wird, um ihre Eigenschaften im Hinblick auf eine leichte Handhabung zu verbessern.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus Kohlenstoff-Fasern besteht.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9* gekennzeichnet durch eine kontinuierlich bewegte Fläche, durch Mittel zur Förderung des Fasermaterials auf die Fläche, durch Mittel zum Ansammeln des Materials

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auf der Fläche im wesentlichen quer zu ihrer Bewegungsrichtung und durch Mittel, um das Material in Querrichtung von der Fläche abzuziehen.

11. Vorrichtung nach Anspruch lo, g e k e η η zeichnet durch eine weitere (erste) kontinuierlich bewegte Fläche, der das Material zugeführt wird, bevor es auf die erst erwähnte (oder zweite) kontinuierlich bewegte Fläche gelangt^ und durch Mittel, um das Fasermaterial von der ersten auf die zweite Fläche zu überführen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche ein Aufnahmezylinder und die zweite Fläche ein perforierter Zylinder sind und daß die Mittel- zum Überführen des Fasermaterials von einem Zylinder auf den anderen aus einem Fluidum bestehen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder mit ihrem Umfang dicht nebeneinander angeordnet sind und daß das Fluidum Luft ist, die das vom Aufnahme-

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zylinder mitgerissene Material aufnimmt und in den Bereich führt, in dem die Zylinder mit ihrem Umfang dicht nebeneinander liegen, um das Material auf die Fläche des perforierten Zylinders zu überführen, wobei dann die Luft durch die Perforation abströmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Y^₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des Fluidums derart gesteuert ist, daß die gewünschte Orientierung der Fasern des Materials, das auf dem perforierten Zylinder Jiegt, erzielt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch Io bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ansammeln des Materials im wesentlichen quer zur Bewegungsrichtung der Fläche eine Verfestigungsrolle aufweisen, deren Fläche sich entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der erst erwähnten bewegten Fläche bewegen kann, um eine fortgesetzte Bewegung der Fasern über die erwähnte Fläche zu verhindern und dafür zu sorgen, daß sich die Fasern um einander herumrollen, um einen Faden oder eine ähnliche Faserstruktur zu bilden.

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16. Vorrichtung nach Anspruch Io bis 15,
gekennzeichnet durch einen Querförderer, der sich quer zur Bewegungsrichtung der ersterwähnten bewegten Fläche und in Richtung auf den Bereich dieser Fläche bewegen kann, in dem das Material abgezogen wird, wobei das Fasermaterial über diesen Querförderer geführt und dabei in Querrichtung während des Zuführvorganges bewegt wird.

17· Vorrichtung nach Anspruch Io bis 16,
gekennzeichnet durch Mittel zum Verfestigen des Fadens bzw. der Faserstruktur nach dem Abziehen von der erst erwähnten bewegten Fläche.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verfestigen zusammenwirkende endlose Fördervorrichtungen aufweisen, die sich mit der gleichen * Geschwindigkeit in Richtung des Fadenvorschubes

bewegen und gleichzeitig in Querrichtung relativ zueinander oszillieren.

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