DE1954866A1 - Vorrichtung zum Beschichten von Fasern - Google Patents

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Hr. 52023/68 vom 1. Hov. 1968 beansprucht.

Vorrichtung zum Beschichten von Pasern

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Beschichten von Pasern. Solche beschichteten Pasern sind zur Bildung eines zusammengesetzten Materials verwendbar, d.h. eines Materials, welches eine mit Pasern verstärkte Matrix aufweist ο Solche zusammengesetzten Materialien bzw. Werkstoffe sind bekannt, und die Pasern können beispielsweise organische oder anorganische Pasern sein, wobei Glas- und Kohlenstofffasern zur Zeit ein bevorzugtes Material darstellen. Jedes beliebige geeignete Material kann die Matrix bilden.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neue bzw. verbesserte Vorrichtung zum Beschichten bzw. Überziehen von Pasern zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Beschichten von Fasern geschaffen, die sich zusammensetzt aus einer Vielzahl von Rollen, welche einen Strang von Fasern aufnenmen, aus einem Behälter für Beschichtungsmaterial, v/obei die Rollen außerdem dazu dienen, den Strang in den Behälter und durch diesen hindurch zu führen, sowie aus zumindest e iner Strömungsmittel strahldüse, welche einen Strömungsmittelstrahl auf die Fasern an einer Stelle in der i\ähe zumindest einer der genannten Rollen richtet, wobei der Strahl dazu dient, die Pasern außer Kontakt mit dieser Rolle zu drücken.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Strahlen vorgesehen, von denen jeder von seiner zugehörigen Düse ausgeht. So kann der Strang, bevor er in den Behälter gelangt, unter und über eine Vielzahl von Rollen laufen, und einer dieser Rollen kann ein Gasstrahl, z.B. ein Luftstranl, zugeordnet werden. Vorzugsweise sind zwei solcher Gasstrahlen vorgesehen und so orientiert, daß keine resultierende Läng.skraft auf den Strang ausgeübt wird, um diesen über die Rollen zu drücken.

Um eine ausreichende Beschichtung der Fasern" durch das Beschichtungsmaterial sicherzustellen, werden diese Vorzugs-*' weise unter einer Rolle durchgeführt, die zumindest teilweise' in das Beschichtungsmaterial im Behälter eingetaucht -ist." Eiri" "' Strömungsmittelstrahl aus Beschichtun^smaterial kann auf die Oberseite de-s Stranges in der Nähe der vorgenannten Rolle gerichtet werden, um eine gleichmäßige Beschichtung der Pasern

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zu gewährleisten. Alternativ kann ein Gas durch das Besohiohtungsmaterial im Behälter geschickt werden, um dieses bis zu einem solchen Ausmaß umzurühren, daß ein gleichmäßiger überzug aus Beschichtungematerial auf die Fasern aufgebracht wird.

Nach dem Austritt aus dem Behälter läuft der Strang über zumindest ein Paar von vorgespannten, beispielsweise unter Federkraft stehenden Hollen, um ihn zusammenzudrücken und überschüssiges Beschichtungsmaterial zu entfernen.

Besonders zweckmäßig wird dann der Strang nach einer Aufnahmeeinrichtung geschickt, und die Trennung bzw. der Abstand zwischen dem Behälter und der Aufnahmeeinrichtung ist so, daß eine teilweise, aber nicht vollständige! Trocknung des Beschichtungsmaterials stattgefunden hat. Auf diese Weise wird eine ausreichende Dicke von imprägniertem Strang aufgebaut, damit durch weitere Behandlung ein zusammengesetztes Material hergestellt werden kann. Es ist zweckmäßig, eine mehrseitige Trommel als Aufnahmeeinrichtung zu verwenden, und eine Rolle zu benutzen, welche den Strang leicht auf die Trommel,drückt, wodurch flache Platten oder Scheiben von "vorimprägniertem" Material /"pre-preg" material/ gebildet werden.

Die Fasern können aus Metall, Kohlenstoff, Glas oder irgendeinem geeigneten organischen Material bestehen, wobei die vorliegende Beschreibung jedoch hauptsächlich auf Kohlenstoff asern Bezug nimmt.

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Das ausgewählte Matrixmaterial ist weitgehend von den Fasern abhängig, sollte aber in eine Lösung oder Suspension gebracht werden können, und zwar mit Hilfe eines Binders oder Bindemittels, falls notwendig. Als mögliche Matrixmaterialien seien Glas, einschließlich mit Einschlüssen versehenes Glas / nucleated glass/, organische warmhärtende und thermoplastische Kunstharze, Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Silizium, Oxide, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder*Zirkoniumoxid oder Zement, letztere in Form eines selbethärtenden wässrigen Breis, genannt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines abgeänderten Behälters, während

Fig. 3 eine Seitenansicht auf eine Aufnahmeeinrichtung wiedergibt.

Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels dient zur ^ Bildung eines kontinuierlichen flachen Bandes aus Kohlenstofffasern, welches mit einem Material so überzogen bzw. beschichtet wird, daß die beschichteten Fasern nachfolgend in einen Verbundstoff geformt werden können, der bei diesem Ausführungsbeispiel eine Glasmatrix aufweist. Es können auch andere Verbundstoffe geformt bzw. gebildet werden, beispielsweise ■ dadurch, daß man mit pulverisiertem Ketall oder einem anderen pulverisierten Material, wie oben erläutert, beginnt.

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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird ein Strang 11 aus kontinuierlichen Längen "bzw. Stücken von Kohlenstofffasern aus einem Behälter 12 abgezogen. Ein geeigneter Strang weist beispielsweise 10.000 Fasern auf, von denen jede einen Nenndurchmesser von 1,5 Denier aufweist.

Der Strang 11 läuft über Rollen 13, H, die hoch angeordnet sind, und dann unter und über eine Reihe von Rollen 15, 16, 17, 18,19, 21, 41, 42. Strahldüsen 25 und 26, die mit einer Druckluftquelle verbunden sind, sind so angeordnet, daß sie einen Luftstrahl auf den Strang 11 aus Fasern richten, wenn diese über die Rollen 16 und 21 laufen. Die Düsen 25 und 26 haben fischschwanzförmige Enden, wobei die Längsabmessungen der länglichen Öffnungen an den Schwanzenden parallel zu den Achsen der Rollen verlaufen.

Die Düsen 25 und 26 richten die Luftstrahlen so, daß die Fasern im Strang 11 jeweils von den Rollen 16 und 21 weggedrückt werden.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist die Düse 25 so ausgerichtet, daß die Luft im wesentlichen tangential zur Rolle 16 an der Berührungsstelle des Strangs 11 mit der Rolle 16 verläuft. In ähnlicher Weise ist die Düse 26 so ausrichtet, daß der Strahl im wesentlichen tangential zur Rolle 21 an der Stelle verläuft, wo der Strang 11 außer Berührung mit der Rolle 21 kommt. Die Antriebswirkungen der Luftstrahlen aus den Düsen 25 und 26 auf den Strang 11 sind entgegengesetzt, so daß sich für die Düsen keine Tendenz ergibt, den Strang 11 in der einen oder anderen Richtung durch die Vorrichtung hindurch anzutreiben.

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Yon Rollen 42 gelangt der Strang 11 in einen Brei 27 in einem mit konischen Seitenwänden versehenen Behälter 28 unter einer Rolle 22, die teilweise in den Brei 27 eingetaucht ist. Beim Austritt aus dem Brei läuft der Strang 11 um Rollen 23 und 24, die in Richtung aufeinander zu leicht belastet, beispielsweise federvorgespannt sind, um die beschichteten Fasern zu pressen und zu einem gewissen Ausmaß die Aufnahme dadurch zu steuern, daß überschüssiger Brei herausgequetscht wird.

Der Behälter 28 weist Seitenwände auf, die bis zu einem Auslaß 44 mit einem Durchmesser von 1/2 Zoll (12,7 mm) konisch zu, aus welchem Brei durch ein nicht dargestelltes Rohr zurück in den oberen Teil des Behälters gepumpt wird. Der Zweck der konischen Seitenwände und des kräftigen Umwälzens des Breis vom Boden des Behälters her besteht darin, so weit wie möglich ein Abscheiden des pulverisierten G-lases zu vermeiden oder zu reduzieren.

Ein Teil des rückgeförderten Breies wird durch eine Strahldüse 31 hindurchgepumpt, welche wie die Düsen 25, 26 fischschwanzförmig ausgebildet und so angeordnet ist, daß sie einen Breistrahl auf den Strang 11 in einer solchen Richtung zuführt, daß der Strang 11 von der Rolle 22 weggedrückt wird. Die Wirkung davon besteht darin, daß die Einheitlichkeit bzw. Gleichförmigkeit der Beschichtung der beiden Seiten des flachen bandförmigen Strangs 11 verbessert wird. ..-. ..

Von den Rollen 24 läuft der Strang 11 über eine Rolle 43, welche eine mit schrägen Seiten versehene Nut zum Zusammendrücken des beschichteten Faserbandes in ein Band von gev/ünschter Breite, bei diesem Ausführungsbeispiel einer Breite von 1/2 Zoll (12,7 mm), aufweist.

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Von der Rolle 43 wird der Strang 11 horizontal einige · Fuß weit nach einer rotierenden Aufnahmeeinrichtung gefördert, die in Pig. 3 dargestellt ist, auf welche die beschichteten Pasern aufgewickelt werden. Die Drehung der Einrichtung liefert den Antrieb, welcher den Strang 11 durch die Vorrichtung hindurch vom Behälter 12 her zieht.

Im Betrieb wird der Strang 11 mit einer konstanten Geschwindigkeit" durch die Vorrichtung hindurch gezogen. Die Höhe der Rollen 13, 14 trägt dazu bei, daß Verdrillungen und Knicke im Strang 11 vor dem Durchlauf des Stranges durch das Rollensystem verschwinden, und um diesen Vorgang zu unterstützen, kann das Band einen Satz von gekrümmten Spann- oder Spreizstangen oder "Bananen"-Stangen vor der Rolle 15 durchlaufen.

Der kombinierte Effekt der Rollen 15. 16, 17, 18, 19, 21, 41, 42 und der Luftstrahlen aus den Düsen 25, 26 besteht darin, die Pasern im Strang in ein flaches Band auszuwedeln bzw. auszufächeln. Die Breite des Bandes wird durch Planschen auf den Rollen bestimmt, die den Rollen folgen, bei welchen die Luftstrahlen aufgebracht werden. Insbesondere ist die letzte Rolle 42 der Gruppe von Rollen eine geflanschte Rolle, wobei die Breite zwischen den Planschen gleich der gewünschten Ausgangsbreite des bandförmigen Stranges ist.

Bei einer, abgeänderten Ausführungsform, wie sie in Pig. dargestellt ist, hat der Behälter 28' eine rechteckige Porm mit einem konischen Bodenteilstück 50, unter welchem sich eine poröse Glasfilterplatte 51 befindet, die mit einer Sa.iuuelkammer 52 in Verbindung steht, welcher Luft durch ein Rohr 53 zugeführt wird. Die Wirkung besteht darin, das kräftige Umrühren im Behälter 28' voranzutreiben, und es ist dann nicnt notwendig, den Pumpumlauf und den Strahl 31 nach Pig. 1 vorzusehen. Die Rolle 22 nach Pig. 1 ist durch 3 Rollen 54, 55 und

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ersetzt, die sich weit unterhalb der Oberfläche des Breies befinden. Diese drei Rollen, die Rolle 42 und die Quetschrollen 25, 24 werden alle von Seitenplatten 57 getragen, so daß alle Rollen zur Reinigung aus dem Behälter 28' herausgenommen werden können.

Die Aufnahmeeinrichtung ist im einzelnen in Fig. 3 dargestellt und weist eine Trommel 60 von quadratischem Querschnitt mit Seitenwangen 61 auf, welche auf einer Achse sitzt, wobei die Trommel durch einen Reibradantrieb 63, der an der einen Wange 61 angreift, gedreht wird. Der Strang wird beim Aufbringen auf die Trommel 60 leicht durch eine federbelastete Rolle 64 aufgepreßt, um Scheiben oder Platten 65 zu bilden«

Bei diesem Beispiel weist der Brei ein Gemisch aus' 15 Volumenprozent pulverisiertes Glas, 15 Volumenprozent PolyvinylalkohQlbinder und 70 Volumenprozent MethyläthylketonlösungsmitteV. Das Glas kann beispielsweise mit Einschlüssen versehenes bzw. kernreichee Glas /nucleated glass/ oder Borsilikatglas sein.

Die Zusammensetzung des Breis kann entsprechend der Geschwindigkeit, mit welcher der strang anzutreiben ist, dem erforderlichen Grad der Aufnahme und der gewünschten Zusammensetzung des endgültigen Verbundstoffes geändert werden. Es ist anzunehmen, daß die Anteile der Stoffe ziemlich weitgehend verändert werden können. Beispielsweise sind 5 Volumenprozent Glas, 5 Volumenprozent Polyvinylalkohol und 90 Volumenprozent Methyläthylketon experimentell erfolgreich verwendet worden.

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Pur die Verwendung mit anderen Fasern oder anderen Matrixstoffen kann die ""zusammensetzung des Breies oder der lösung durch. Versuch ermittelt werden müssen, wobei obige Paktoren berücksichtigt werden.

Wenn der beschichtete Strang 11 von der Rolle 43 auf die Trommel 60 gezogen wird, erfährt er eine teilweise Trocknung. Bei diesem Beispiel sind rechteckige Scheiben oder Platten des zusammengesetzten Materials zu bilden, und die Trommel dient zweckmäßigerweise dazu, eine vorläufige Auflage des Stranges 11 zu bilden, die nach dem Schneiden an den Kanten der Trommel für nachfolgende Behandlung bzw. Verarbitung fertig ist, wobei die aufgelegten Pasern Wärme und Druck ausgesetzt werden.

Dies wird zweckmäßig in einer Porm oder Matrize ausgeführt. Pur Borsilikatglas ist die Porm oder Matrize zweckmäßig aus Edelstahl hergestellt und wird mit koloidalem bzw· gallertartigem Graphit als Trennmittel überzogen. Die Behandlung kann das Pressen mit 5000 p.s.i (352 kg/cm ) bei einer Temperatur von 900⁰C einschließen. Pur kernreiches bzw. mit Einschlüssen versehenes Glas wird wünschenswerterweise eine Graphitform oder -matrize verwendet, die ebenfalls mit gallertartigem Graphit als Trennmittel ausgekleidet ist. Die Behandlung kann das Pressen mit 1500 p.s.i. (105 kg/cm²) bei 1300⁰O einschließen.

Die Oberflächeneigenschaften des Verbundstoffes können durch einen Überzug abgeändert werden, welcher auf den Verbundstoff während des Pressens oder danach aufgebracht wird. Dieser Überzug kann beispielsweise Glas, ein Harz oder ein anderes

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anorganisches feuerfestes Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid» sein. Im lalle von Siliziumnitrid wird dieses zweckmäßig als eine Lage aus Silizium aufgebracht, welches nachfolgend durch bekannte Verfahren nitriert wird. Das Aufbringen einer Schicht aus Glas, Silizium oder gar jedem anderen ähnlichen pulverförmigen Material wird zweckmäßig dadurch bewirkt, daß beide Seiten der aufgelegten Fasern beschichtet werden, bevor die Form mit einer Schicht solchen pulverisierten Materials, welches in einem Binder dispergiert ist, geschlossen wird. Sehr zweckmäßig ist es, einen Brei aus dem pulverförmigen Material in einem geeigneten Binder oder Bindergemisch zu'bilden, welcher gegebenenfalls ein Lösungsmittel enthält, und eine Schicht dieses Breies mittels eines Schabers oder auf andere Weise auf einen Träger aufzubringen. Die Schicht wird nachfolgend getrocknet und kann teilweise ausgehärtet sein, um ein ausreichend flexibles trockenes Blatt zu erhalten, welches im wesentlichen das pulverförmige Material in einem Binder aufweist. Dieses trockene Blatt bzw. diese trockene Platte wird dann in Berührung mit den aufgelegten Fasern gebracht, und das Pressen erfolgt so, daß diese plattenartige Schicht auf der Oberfläche des endgültigen Verbundstoffes haftet.

Die Form oder Matrize kann, falls erwünscht, mit einer Molybdänfolie oder einer anderen feuerfesten Metallfolie ausgekleidet werden. Dies erleichtert das Abtrennen der Form und erzeugt einen Oberflächenglanz auf dem Verbundstoff.

Der Strang 11 aus Kohlenstoffasern, welcher das Ausgangsmaterial bildet, kann nach dem in der britischen Patentschrift 1 110 791 beschriebenen Verfahren hergestellt werden.

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Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten des vorbeschriebenen Beispiels beschränkt. Soll 'beispielsweise der Verbundstoff eine keramische oder Harzmatrix haben, dann werden die Zusammensetzung des Breies und die nachfolgende Behandlung der beschichteten Fasern entsprechend dem gewünschten Endprodukt geändert. Die beschichteten Fasern brauchen nicht unbedingt so eingestellt zu sein, daß alle Schichten im wesentlichen parallel verlaufen. Zum Beispiel kann eine Schicht um die andere in einem Kreuz- und Quermuster geneigt sein. Es können auch andere Formen als rechteckige Platten oder Scheiben durch entsprechende Formgebung .der Form oder Matrize und entsprechendes Einstellen bzw. Auflegen der Fasern gebildet werden.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale', die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims (7)

1854866

69 158 Kü/Schm

Patentansprüche

\\J Vorrichtung zum Beschichten, Ummanteln oder überziehen von Pasern mit einer Vielzahl von Rollen zur Aufnahme eines Strangs aus Pasern und mit einem Behälter für Beschichtungsmaterial, wobei die Rollen außerdem dazu dienen, den " Strang in den Behälter hinein und durch diesen hindurch zu führen oder zu fördern, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Strömungsmittelstrahldüse (25, 26, 31) vorgesehen ist, welche einen Strömungsmittelstrahl auf die Pasern an einer Stelle, die in der Nähe zumindest einer der genannten Rollen (15-19, 21, 41, 42, 22) gelegen ist, richtet, und daß der Strahl so eingerichtet ist, daß durch ihn die Pasern außer Kentakt mit einer solchen Rolle (16 oder 21) gedrückt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas durch das Beschichtungsruaterial (27) im Behälter (26) hindurchgeschickt wird, um dieses Material umzurühren,

^ und daß zumindest eine Rolle (22), unter welcher der Strang (11) hindurchläuft, in dem Behälter (28) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelstrahl ein Strahl aus Beschichtungsmaterial (27) ist und daß die Düse (31) in der liähe einer Rolle (22) im Behälter (28) angeordnet und zumindest teilweise in das Beschichtungsmaterial (27) eingetaucht ist, wobei der dxrang (11) unter dieser Rolle (22) hindurchläuft.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelstrahl ein Gasstrahl ist und sich in der Nähe einer Rolle (16 oder 21) befindet, mit welcher der Strang (11) vor dem Eintritt in den Behälter (28) in Berührung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der genannten G-asstrahlen vorgesehen und so gerichtet sind, daß keine resultierende Längskraft auf den Strang (11) ausgeübt wird«

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5r dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Strömungsmittelstrahldüse (25, 26, 31) tangential zur benachbarten Rolle (16, 21, 22) an der Berührungsstelle der Pasern mit der Rolle verläuft.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmeeinrichtung so angeordnet ist, daß eine Vielzahl von Lagen des imprägnierten Strangs (11) aufeinander_gelegt werden.

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