DE2364023A1

DE2364023A1 - Verfahren zum herstellen ausgerichteter fasermatten

Info

Publication number: DE2364023A1
Application number: DE2364023A
Authority: DE
Inventors: Greville Euan Gordon Bagg
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1972-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1974-08-15
Also published as: DE2364023C2; GB1400530A; US3947535A

Description

21. Dezember

1. Greville Euan Gordon BAGG, Waltham Abbey (Essex) ( Großbritannien )

2. Henry EDWARDS, Harlow (Essex), Großbritannien

3. Michael Ernest Newcombe EVANS, Waltham Abbey (Essex), Großbritannien

4. John Arnold IEWIS, Hoddesdon (Hertfordshire) Großbritannien

5. Hans ZIEBLAND, Hertford (Großbritannien)

Verfahren zum Herstellen ausgerichteter Fasermatten

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen zusammengesetzter Materialien, die aus einer Matrix mit darin verteilten Fasern bestehen, und betrifft insbesondere Verfahren zum Herstellen von Matten aus ausgerichteten Fasern, die sich zum Imprägnieren mit einem Matrixmaterial zwecks Bildung solcher Verbundwerkstoffe eignen. Der Begriff "Faser" umfaßt hierin natürliches Faser material,

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wie ζ. Β. Asbest, synthetische kurze Fasern, wie z.B. Glasfasern, zerhackte Kohlenstoffasern und zerhackte Polymerfasern (z.B. PoIytetrafluoräthylen) und auch anorganische Whisker (d. h. längliche Einkristallfasern mit einem Länge/Durchmesser-Verhältnis von wenigstens 10 und allgemein 100 oder mehr), z. B. Siliziumkarbidoder Siliziumnitridwhisker.

Die Ausrichtung von Fasern in einem Mischwerkstoff wird oft benötigt, um die maximale Festigkeit und den maximalen Fasergehalt im fertigen Werkstoff zu erreichen. Das Muster der Faserausrichtung in den Matten, aus denen der Mischwerkstoff gebildet wird, bestimmt die Festigkeitseigenschaften des erhaltenen Mischwerkstoffs, wobei dieser allgemein längs einer zur Hauptachse der Fasern parallelen Linie fester als längs einer dazu senkrechten Linie ist. Die Fasern neigen dazu, spröde zu sein, und daher erfordern sie eine sorgfältige Handhabung, wenn im Mischwerkstoff die maximale Festigkeit erreicht werden soll.

Zahlreiche Verfahren zur Bildung von Matten mit ausgerichteten Fasern wurden bereits angegeben, z.B. Extrusion von in einer Alginatmatrix dispergierten Fasern, chemisches Setzen der Matrix und anschließendes Wegbrennen der Matrix, wobei die ausgerichteten Fasern übrigbleiben (GB-PS 1 128 321), oder Leiten einer Dispersion von Fasern durch eine ausrichtende Düse auf eine permeable Oberfläche und rasche Entfernung des flüssigen Trägers (GB-PS 1 249 291). Solche Verfahren lassen sich anwenden, um Matten in Form von Stangen, Rohren, Platten usw. mit einsinniger Ausrichtung oder kreisförmige Mat-

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ten mit Umfangsausrichtung zu erzeugen. Es ist jedoch für bestimmte Anwendungsfälle erforderlich, Matten zu verwenden, die Ausrichtungsmuster aufweisen, die sich nach den vorstehend angegebenen Verfahren entweder direkt oder durch Kombinationen von einsinnig ausgerichteten Bändern nicht herstellen lassen. Beispiele solcher Matten umfassen kreisförmige Matten mit radialer Ausrichtung und Matten in der Form von Hohlkegeln, in denen die Fasern längs der Erzeugungslinien ausgerichtet sind.

Es wurde gefunden, daß sich Fasermatten mit vorausbestimmbaren Ausrichtungsmustern herstellen lassen, indem man eine Dispersion von Fasern in einem flüssigen Medium über eine permeable Oberfläche unter dem gleichzeitigen Einfluß zweier Kräfte, nämlich einer Filtrationskraft, deren Hauptkomponente senkrecht zur permeablen Oberfläche steht, um das flüssige Medium zu entfernen und eine Fasermatte auf der permeablen Oberfläche übrigzulassen, und einer ausrichtenden Kraft leitet, die auf die Fasern zwecks Erhaltene der gewünschten Ausrichtung einwirkt. Diese Ausrichtungskraft kann durch irgendwelche an sich bekannte Mittel wie fluiddynamische Mitziehkräfte aufgrund der Beschleunigung der durch einen sich erweiternden Querschnitt strömenden Suspension oder der durch Schwerkraft eingeführten Beschleunigung der Suspension in einem vertikal oder nahezu vertikal fallenden Film erzeugt werden.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Herstellen einer Matte aus ausgerichteten Fasern, die sich zum Imprägnieren mit einem Matrixmaterial zwecks Bildung eines zusammengesetzten Materials eignet, mit dem Kennzeichen, daß man einen ständig beschleunigten

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Strom einer Faserdispersion in einem flüssigen Medium von einer Dispersionszuführungsquelle über eine permeable Oberfläche leitet, wodurch die Fasern einer ständigen Ausrichtungskraft unterworfen werden, und gleichzeitig eine Druckdifferenz durch die permeable Oberfläche derart einwirken läßt, daß ein Teil des flüssigen Mediums durch die permeable Oberfläche durchtritt und auf der Oberfläche eine Matte von ausgerichteten Fasern zurückbleibt.

Die Begriffe "Beschleunigen" und "Beschleunigung" in der Beschreibung und in den Ansprüchen werden in ihrem weiten wissenschaftlichen Sinn unter Einschluß sowohl positiver als auch negativer Beschleunigung, manchmal Verzögerung genannt, verwendet.

Durch Hervorrufung der gleichzeitig mit der Filtrationskraft aufgrund der Druckdifferenz wirkenden Ausrichtungskraft wird die Ausrichtung der Fasern, wenn sie über die permeable Oberfläche fließen und sich darauf nach und nach absetzen, erhalten und bewahrt. So existiert dauernd eine Schicht des flüssigen Mediums über der pernieablen Oberfläche, um ein sogenanntes "Fließbett"-System im Gegensatz zu Verfahren zu liefern, wie eines z. B. in der GB-PS 1 249 291 beschrieben ist, wonach die Ausrichtung der Fasern nur durch rasche Entfernung des flüssigen Mediums beibehalten werden kann, sobald die Dispersion die permeable Oberfläche berührt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Fasern gleichzeitig auf der gesamten permeablen Oberfläche abscheiden, wodurch die Notwendigkeit hin- und hergehender Düsen vermieden wird, wie sie bei dem erwähnten Stand der Technik Verwendung finden.

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Um den höchsten Grad von Ausrichtung zu erzielen, soll vorzugsweise die Geschwindigkeit, mit der das flüssige Medium durch die Oberfläche an jedem beliebigen Punkt abgezogen wird, merklich unter der Strömungsgeschwindigkeit der Dispersion quer über die Oberfläche an diesem Punkt liegen, so daß die resultierende Durchschnittsrichtung der Strömung noch im wesentlichen parallel zur Oberfläche ist, um ein Einbetten der Fasern mit den Enden nach unten oder sogar ein Durchtreten der Fasern durch die permeable Oberfläche zu verhindern. Die über die permeable Oberfläche hinwegstreichende Überschußdispersion kann natürlich wieder in Umlauf gesetzt und dem Zustrom von frischer Dispersion, die über die permeable Oberfläche geleitet wird, zugesetzt werden. Die Entfernungsgeschwindigkeit des flüssigen Mediums wird im Fall einer beschleunigten Strömung auch durch die Notwendigkeit begrenzt, eine Beschleunigung des verringerten Dispers ions volumens über die Oberfläche hin beizubehalten, und der abgezogenen Menge des flüssigen Mediums muß bei der Auslegung der Vorrichtung zum Gewährleisten einer solchen Beschleunigung Rechnung getragen werden. Indessen erhöht eine Steigerung des Prozentsatzes der zugeführten Dispersion, der wieder in Umlauf gesetzt wird, die Pumpkosten und die Schädigung der Fasern, die sich durch einen wiederholten Durchlauf durch die Pumpe ergibt. Die Geschwindigkeit des flüssigen Mediums durch die permeable Oberfläche hindurch sollte normalerweise zwischen 5 und 30 %, vorzugsweise bei 10 bis 15 % der Zuführungsgeschwindigkeit der Dispersion liegen.

Eine besonders geeignete Maßnahme zur Erzielung einer ständigen Beschleunigung der Dispersion über die permeable Oberfläche hin sieht

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vor, daß man die Dispersion zwischen der permeablen Oberfläche und einer oder mehreren nichtpermeablen Oberflächen durchlaufen läßt, die so angeordnet sind, daß der Querschnitt oder genauer die Strömungsquerschnittsfläche der Dispersionsfront in der Strömungsrichtung progressiv abnimmt. Z. B. kann man die Dispersion längs des Ringraumes zwischen koaxialen Kegeln oder radial von außen zum Mittelpunkt zweier kreisförmiger Platten leiten, wobei in jedem Fall eine Oberfläche permeabel ist. Alternativ kann man die Dispersion als einen dünnen Film an einer senkrechten permeablen Oberfläche herabfließen lassen, wobei die Beschleunigung dann durch Schwerkraft hervorgerufen wird. In jedem dieser Fälle darf die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Mediums durch die permeable Oberfläche hindurch nicht so groß sein, daß sie eine Verzögerung der Dispersion in einer zur permeablen Oberfläche parallelen Richtung hervorruft.

Der Druckunterschied zwischen den von der permeablen Oberfläche getrennten Räumen kann erzeugt werden, indem man den Druck, der auf die Dispersion an bzw. auf der Oberfläche einwirkt, auf einen höheren Wert als Umgebungsdruck steigert und/oder den Druck an der entgegengesetzten Seite der Oberfläche auf weniger als Umgebungsdruck erniedrigt. Eine Steigerung des Drucks auf einen höheren Wert als den Umgebungsdruck läßt sich durch irgendein bekanntes Mittel, wie Pumpen, z. B. mit einer peristaltischen oder "Mono"-(Warenzeichen)-Pumpe, durch Zuführen von einem unter Druck gesetzten Behälter oder durch den hydrostatischen Druck einer Suspens ions säule über der permeablen Oberfläche erreichen.

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Die Fasern sind normalerweise Verstärkungsfasern, die zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften des fertigen Mischwerkstoffes bzw. -Stückes dienen sollen, können jedoch alternativ oder zusätzlich auch dazu verwendet werden, andere Eigenschaften des Mischwerkstoffes, z.B. die elektrischen oder Verschleißeigenschaften zu verändern. Geeignete Verstärkungsfasern zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren umfassen zerhackte Kohlenstoffasern, zerhackte Nylonfasern, Asbestfasern, Glasfasern, Siliziumnitridwhisker und Siliziumkarbidwhisker.

Eine bessere Ausrichtung eines größeren Gewichtsanteils von Fasern erhält man mit einem Anstieg der Viskosität des flüssigen Mediums. Jedoch sollte das flüssige Medium vorzugsweise wasserlöslich sein, um seine Entfernung aus der fertigen Matte zu erleichtern. Geeignete flüssige Medien umfassen Glycerin, eine wäßrige Lösung von Glycerin und wäßrige Lösungen von Zelluloseäthern.

Matrixwerkstoffe, womit die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten ausgerichteten Fasermatten imprägniert werden können, umfassen Kunstharze, insbesondere wärmehärtende Harze, wie z. B. Phenolformaldehyd-, Epoxy-, Polyester- oder Silikonharze, und auch Metalle, wie z. B. Aluminium und seine Legierungen.

Die permeable Oberfläche kann eine starre Filteroberfläche, wie ■ z.B. eine gesinterte Glas·= oder Metallplatte, ein poröses Polyäthylenband, Metallgaze, oder eine flexible poröse Gaze, wie z. B. eine von einem festen Drahtnetz getragene Nylongaze sein. Die permeable

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Oberfläche ist vorzugsweise eine Gaze, deren Maschenweite nur etwas kleiner als die Länge der Mehrzahl der Fasern ist, so daß sie einen niedrigen Widerstand für den Durchstrom der Flüssigkeit bietet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Matten verschiedener Gestalten und Formen, und die permeable Oberfläche sollte vorzugsweise zur gewünschten Gestalt des fertigen Mischwerkstückes passen. Es ist jedoch möglich, zusammengesetzte Gegenstände aus Matten zu bilden, die zur gewünschten Gestalt geformt sind, und dies kann tatsächlich nötig sein, wenn eine Laminatstruktur mit in verschiedenen Richtungen ausgerichteten Faserschichten erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert bequeme Möglichkeiten zur Herstellung bestimmter Gebilde aus ausgerichteten Fasermatten, die nach den bisher bekannten Verfahren nicht ohne weiteres erhältlich sind. Z.B. wurden kreisförmige Matten mit in Radialrichtungen ausgerichteten Fasern früher unter Verwendung einer engen, radial über einer rotierenden, kreisförmigen permeablen Oberfläche hin- und hergehenden Düse hergestellt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine viel raschere Herstellung solcher Matten, wozu eine erheblich vereinfachte Vorrichtung ohne bewegte Teile verwendet wird. In ähnlicher Weise kann man kegelförmige bzw. konische Matten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren direkt erzeugen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Matten von ausgerichteten Fasern können von flüssigem Medium freigewaschen und dann mit der gewünschten Matrix imprägniert werden, um durch diese Imprägnie-

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rung in üblicher Weise Mischwerkstoffe herzustellen. Z.B. wird ein wärmehärtendes Harz in einer Menge von etwa 60 Gewichtsprozent der zu imprägnierenden Fasern in einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert mit der Fasermatte kontaktiert. Die Matte wird dann getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen, und das erhaltene "Vorimprägnat" wird teilweise bis zu einem Zustand gehärtet, in dem das Harz die richtige Viskosität aufweist, um dem Vorimprägnat die erforderlichen Hantierungseigenschaften zu verleihen. Dann wird das Vorimprägnat entweder allein oder als Teil eines Stapels in eine Presse eingeführt, die der gewünschten Form des Mischwerkstücks entsprechende Platten aufweist, und zur Vollendung des Aushärtens des Harzes heißgepreßt.

Typische Beispiele der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazu verwenden Vorrichtung sollen nun anhand der Zeichnung erläutert werden; darin zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Matten aus parallel ausgerichteten Fasern,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie IT—II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Erzeugung von kreisförmigen Matten mit radialer Ausrichtung der Fasern,

Fig. 4 eine Vorrichtung ähnlich der in Fig. 3, die jedoch zur Verwendung bei überatmosphärischem Druck eingerichtet ist,

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Fig. 5 eine Vorrichtung zur Erzeugung von kreisförmigen Matten mit Umfangsausrichtung der Fasern,

Fig. 6 eine Vorrichtung zur Erzeugung von kegelförmigen Matten mit Fasern, die längs der Kegelerzeugungslinien ausgerichtet sind, und

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Bildung von Matten aus parallel ausgerichteten Fasern.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Matte aus parallel ausgerichteten Fasern einen Diffusorteil 1, einen konvergierenden Teil 2 und eine Abscheidezone 3 auf. Ein Zuführungsrohr 4 ist mit dem Diffusorteil verbunden, der von rechteckigem Querschnitt (50 mm χ 450 mm) ist. Eine Prallplatte 5 (Breite 150 mm) ist innerhalb des Diffusorteils gegenüber dem Zuführungsrohr 4 von der oberen Wand bis zur unteren Wand, d.h. zwischen den längeren Wänden des Diffusorteils angeordnet. Am vom Zuführungsrohr· 4 entfernten Ende des Diffusorteils 1 ist eine doppelte Horizontalschlitzanordnung 6 vorgesehen. Jenseits des Diffusorteils sind die Seitenwände und die obere Wand der Vorrichtung nach innen gekrümmt, um den konvergierenden Teil 2 zu bilden, und werden dann wiederum gerade, um die Abscheidezone 3 zu bilden. Die untere Wand ist über ihre ganze Länge eben und wird im Bereich der Abscheidezone teilweise durch eine permeable Oberfläche (etwa 160 mm χ 200 mm) gebildet, die aus einer Metallgaze 7 und einem darüberliegenden Nylonnetz 8 besteht. Die Seitenwände der Abscheidezone sind zueinander

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parallel, jedoch konvergieren die obere und die untere Wand längs der permeablen Oberfläche. Die Endwand 9 der Abscheidezone ist von halbkreisförmigem Horizontalquerschnitt, und die untere Wand trägt hier ein zur Endwand koaxiales Rückflußrohr 10. Unter der permeablen Oberfläche ist ein Trichterteil 11 in Form einer umgekehrten Rechteckpyramide angeordnet, die an ihrem Scheitelpunkt mit einem Abflußrohr 12 verbunden ist.

Im Betrieb wird eine Dispersion von Fasern in einem flüssigen Träger von einem (nicht dargestellten) Reservoir durch das Zuführungsrohr 4 in den Diffusorteil 1 eingeführt, wobei sich eine im wesentlichen gleichmäßige Geschwindigkeit über die zum"konvergierenden Teil 2 fortschreitende Dispersionsströmung ergibt. Hier ruft die durch die Konvergenz erzeugte Beschleunigung eine Ausrichtung der Fasern hervor. Diese Ausrichtung wird durch die leichte verengende Abschrägung in der Abscheidezone beibehalten, bis die Dispersion schließlich das Rückflußrohr erreicht und zum Reservoir zurückfließt. Wenn sich das Strömungsmuster gut ausgebildet hat, läßt man Unterdruck über das Abflußrohr 12 und den Trichterteil 11 auf die Unterseite der permeablen Oberfläche einwirken, wodurch ein teilweises Abziehen des flüssigen Trägers durch das Abflußrohr 12 und eine Abscheidung von ausgerichteten Fasern auf der permeablen Oberfläche verursacht werden.

Obwohl die Vorrichtung in einer horizontalen Ausbildung bzw. Lage beschrieben wurde, versteht es sich ohne weiteres, daß sie, da die Strömung der Dispersion durch Pumpwirkung in Gang gesetzt wird, auch

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in einer vertikalen oder jeden anderen Stellung betrieben werden kann.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 besteht aus einem Trichterteil 21, über dem ein zylindrischer Teil 22 mit einem Durchmesser von 220 mm angebracht ist. Zwischen diesen beiden Teilen ist eine permeable Oberfläche 23 eingepaßt, die aus einer Sintermetallscheibe aus Teilchen von 4 pm Neimdurchmesser besteht. Eine Eingscheifoe 24 mit einem Durchmesser von 215 mm wird oberhalb der permeablen Oberfläche von einem Rückflußroiir 25 mit einem Durchmesser von 12 mm gehalten, das im zentralen Loch der Scheibe 24 abgedichtet ist und an der Unterseite der Scheibe endet. Eine vertikale Überlauf wand 26 mit einer Höhe von 40 mm ist auf der Oberseite der Ringscheibe 24 in einem Radius von 25 mm von ihrem Mittelpunkt montiert. Ein Dispersionszuführrohr 27 ist so angeordnet, daß es einen Strom der Faserdispersion von einem Dispersionsreservoir mittels einer (nicht dargestellten) Pumpe in den Raum zwischen der Überlaufwand 26 und dem Rückflußrohr lenkt. Das Rückflußrohr 25 ist mit einer weiteren (nicht dargestellten) Pumpe verbunden, die die erfaßte Dispersion in das Dispersionsreservoir liefert. Das untere Ende des Trichterteils 21 bildet ein Abflußrohr 28, das mit einer (nicht dargestellten) Saugpumpe geringer Druckdifferenz und hoher Verdrängung verbunden ist.

Kohlenstoffasern von 4 mm Nennlänge werden in Glycerin mit

einer Viskosität von etwa 0,4N s m (4 Poise) unter Verwendung einer Niedrigleistung s vor richtung dispergiert, um eine Schädigung der Fasern gering zu halten. Die Dispersion wird von dem (nicht dargestellten) Dispersionsreservoir durch das Dispersionszuführrohr 27 gepumpt,

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—ft ^ "i

um mit einer Geschwindigkeit von etwa 75 χ 10 m s auszutreten. Die Überlaufwand 26 gleicht die Strömung so aus, daß die Dispersion die Überlatäfwand in allen Richtungen überströmt und zu den Rändern der Scheibe 24 fließt. Da die Dispersion über die Scheibe hin nach außen strömt, sinkt ihre Geschwindigkeit progressiv, so daß sich die Fasern unter rechten Winkeln zur Strömung, d. h. in Umfang sr ichtung ausrichten. Die Dispersion fließt über die Kante der Scheibe und dann zum Rückflußrohr 25 hin, von dem sie mittels einer (nicht dargestellten) Pumpe abgezogen und zum Dispersionsreservoir zurückgeleitet wird. Wenn die Dispersion nach innen zum Rückflußrohr strömt, wird sie einer ständigen Beschleunigung aufgrund des ständig abnehmenden Strömungsquerschnitts ausgesetzt, und daher drehen sich die Fasern, bis sie in der Strömungsrichtung, d. h. radial, ausgerichtet sind»

Wenn sich das Dispersionsströmungsmuster gut ausgebildet hat,

wird die mit dem Abflußrohr 28 verbundene Saugpumpe angestellt, um

-2 einen Unterdruck von zwischen 30 und 60 kNm zu schaffen, so daß etwa 10 % des Glycerins durch die Gaze abgezogen werden und ausgerichtete Kohlenstoffasern sich auf der Gaze abscheiden. Wenn die Matte von abgeschiedenen Fasern dicker wird, hebt man die Scheibe 24 an, so daß der Spalt zwischen der Matte und der Scheibe konst ant bei etwa 3 mm bleibt.

Wenn die Matte eine Dicke von etwa 2 mm erreicht hat, beendet man die Zuführung der Dispersion, und die Überschußdispersion wird durch das Rückflußrohr 25 abgezogen. Die Scheibe 24 und ihre zugehörigen Teile werden dann entfernt, und die Saugwirkung an der Matte

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wird beibehalten, während die Matte mittels einer Mehrzahl· feiner (nicht dargestellter) Wasserstrahlen frei von Glycerin gewaschen wird. Die Matte wird danach sorgfältig von der Gaze abgehoben und mit Harzlösung imprägniert sowie getrocknet, um ein Vorimprägnat zu bilden, das anschließend allein oder im Stapel mit ähnlichen Vorimprägnaten zwecks Bildung eines zusammengesetzten Werkstücks heiß gepreßt werden kann =

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Form der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung mit einem ähnlichen Trichterteil 31, einer Gaze 33 und einer ringförmigen Scheibe 34, die ein Rückflußrohr 35 und eine Überlaufwand 36 trägt» Jedoch ist bei dieser Vorrichtung der obere zylindrische Teil 32 an seinem oberen Ende mit Ausnahme der Mündung eines Dispersionszuführrohres 37, das konzentrisch zum Rückflußrohr 35 ist und das gesonderte Zuführrohr nach Fig. 3 ersetzt, geschlossen. So bildet die Vorrichtung ein geschlossenes System, in dem der Teil oberhalb der Gaze 33 völlig mit Dispersion gefüllt und einem überatmosphärischen Druck ausgesetzt werden kann. Hierbei ist die Überlaufwand 36 nicht wesentlich, da die Strömung vom Zuführrohr 37 im wesentlichen gleichmäßig um den Umfang der Scheibe herumfließen wird. Jedoch wird die Überlaufwand vorzugsweise beibehalten, um eine weitere Verbesserung der Regelmäßigkeit der Strömung zu. erzielen.

Beim Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 4 wendet man ein dem bei der Vorrichtung nach Fig. 3 ähnliches Verfahren mit der Ausnahme an, daß ein Druckmeßgerät zwischen der Dispersionszuführungspumpe und der Vorrichtung eingefügt wird und man die Dispersion mit einem Druck

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von etwa 60 kN m (am Meßgerät) zur Füllung des zylindrischen Teils 32 zuführt. Die Matte wird hier schneller als unter Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 3 gebildet. Wenn die Matte die gewünschte Dicke erreicht hat, wird die Zufuhr der Dispersion unterbrochen, und man läßt Luft durch das Dispersionszuführrohr 37 ein, um ein Abziehen der Dispersion durch das Rückflußrohr 35 zu ermöglichen. Die Scheibenanordnung und der zylindrische Teil 32 werden dann beide entfernt, und es schließt sich das Waschen der Matte wie oben an.

Fig. 5 zeigt eine der nach Fig. 3 ähnliche Vorrichtung, doch ist diese zur Erzeugung von kreisförmigen Matten mit nach dem Umfang ausgerichteten Fasern ausgelegt.

Eine Sintermetallscheibe 41 wird von einem hohlen Metallkegel abgestützt, der über ein Abflußrohr 43 mit einer (nicht dargestellten) Saugpumpe verbunden ist. Der hohle Metallkegel 42 ist von einem konischen Außengehäuse 44 umgeben, das an seinem Boden mit einem Rückflußrohr 45 verbunden ist. Ein Dispersionszuführrohr 46 ist über dem Mittelpunkt der Sintermetallscheibe 41 befestigt.

Man führt einen Dispersionsstrom von einem Reservoir durch das Zuführrohr 46 auf die Scheibe 41. Die Dispersion strömt dann radial nach außen über die Scheibe hin, bis sie über die Kante des Hohlkegels 42 tritt, wo sie vom äußeren Gehäuse gesammelt wird und durch das Rückflußrohr 45 zum Reservoir zurückkehrt. Die Verzögerung der Dispersion, wenn sie nach außen über die Scheibe hin fließt, bewirkt eine

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Ausrichtung der Fasern längs des Umfangs der Scheibe= Die Einwirkung eines Unterdrucks an der Unterseite der permeablen Oberfläche durch das Abflußrohr 43 ruft eine Abscheidung einer Matte aus dem Umfang folgend ausgerichteten Fasern auf der Scheibe hervor.

Fig. 6 zeigt eine völlig abgeschlossene Vorrichtung zur Erzeugung von konischen oder kegelförmigen Matten» Das äußere Gehäuse weist einen unteren Teil 51 in der Form eines hohieB umgekehrten (mit der Spitze nach unten gerichteten) Kegels, der sich an seinem oberen Ende au einem zylindrischen Teil 52 erweitert. Die Bmenoberflache des äußeren Gehäuses ist so gestaltet, daß ein glatter übergang vom zylindrischen Teil 52 zum konischen Teil 51 gebildet wird« Das untere Ende des konischen Teils 51 führt in ein Rückflußrokr 53 mit parallelen Seiten» Eine permeable Oberfläche, die aus einer konischen Drahtgaze 54 von 0,15 mm lichter Maschenweite mit dem gleichen eingeschlossenen Winkel wie dem des konischen Teils des äußeren Gehäuses besteht, ist koaxial innerhalb des äußeren Gehäuses eingepaßt» Eine Scheibe 55 aus Kunststoff material ist im Bodenteil des Gazekegels 54 montiert, und ein Abflußrohr 56 das in der Achse des Gazekegels montiert ist, erstreckt sich nach unten durch die Scheibe, um nahe dem Scheitelpunkt des Gazekegels zu enden»

Am Scheitelpunkt des Gazekegels 54 ist eine Lageeinstellnadel montiert, die durch einen Einstellring 58 tritt, der von drei Laschen 59 innerhalb des Rückflußrohres 53 gehalten ist= Ein Nylonnetz 60 ist über dem Gazekegel 54 angebracht, und beide sind an der Scheibe 55 durch einen Metallhaltering 61 befestigt» Die Oberseite des zylindri-

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sehen Teils 52 des äußeren Gehäuses ist durch einen Deckelteil 62 verschlossen, der ein Dispersionszuführrohr 63 koaxial zum Abflußrohr 56 trägt.

Eine Dispersion von zerhackten Kohlenstoffasern in Glycerin wird

-2

aus einem Dispersionsreservoir mit 60 kNm durch das Dispersionszuführrohr 63 in die Vorrichtung gepumpt und fließt um die Scheibe 55 herum und zwischen dem Nylonnetz 60 auf dem Gazekegel· 54 und dem kegelförmigen Teil 51 des äußeren Gehäuses hindurch. Wenn die Dispersion abwärts strömt, verringert sich der für sie verfügbare Strömungsquerschnitt, wodurch eine ständige Steigerung ihrer Geschwindigkeit hervorgerufen wird, bis sie durch das Rückflußrohr 53 abfließt. Wenn sich die gewünschte Strömung ausgebildet hat, wird durch das Abflußrohr 56 Unterdruck angelegt, um einen Teil des Glycerins durch das Nylonnetz und die Drahtgaze abzuziehen und eine Matte aus längs der Erzeugungslinien des Kegels ausgerichteten Fasern auf der Außenseite des Nylonnetzes abzuscheiden. Wenn die Dicke der Matte wächst, wird der Gazekegel 54 langsam angehoben, um einen konstanten Abstand der Oberfläche der Matte von dem äußeren Gehäuseteil 51 beizubehalten.

Wenn die Matte die gewünschte Dicke erreicht hat, beendet man die Dispersionsströmung, und der Deckel 62 des äußeren Gehäuses wird abgenommen. Dann wird der Gazekegel 54 vom äußeren Gehäuse entfernt und mit feinen Wasserstrahlen gewaschen, wobei die Anlegung des Unterdrucks über das Abflußrohr 56 andauert. Das Nylonnetz, das die Fasermatte trägt, wird dann von dem Gazekegel entfernt, und man

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schält das Nylonnetz sorgfältig von der Matte ab, die dann mit Harz imprägniert und zwischen konischen Formteilen zur Bildung eines zusammengesetzten Werkstücks gepreßt wird.

Es versteht sich, daß, obwohl die Verfahrensgänge vorstehend unter Anwendung des Durchleitens der Dispersion zwischen zwei parallelen Oberflächen beschrieben wurden, diese Oberflächen nicht notwendigerweise parallel sein müssen und in vielen Fällen konvergierende Oberflächen erforderlich sein können, um die kontinuierliche Beschleunigung der Dispersion zu erzielen=

Alternativ kann es, wenn sich der Dispersionsweg in einer Dimension sehr rasch verringert, erforderlich sein, die Dispersion zwischen Oberflächen durchzuleiten, die in der anderen Dimension divergieren .

Fig. 7 zeigt eine einfache Vorrichtung zur Erzeugung von Matten mit parallel ausgerichteten Fasern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Ausnutzung der Schwerkraft zur Erzeugung der ständigen Beschleunigung. Die Vorrichtung weist einen horizontalen Diffusorteil 71 auf, der in einer abgerundeten Überlaufwand 72 endet und hier in eine senkrechte Fläche 73 übergeht, die sich von dieser Überlaufwand nach unten erstreckt. In der senkrechten Fläche ist ein rechteckiges Loch herausgeschnitten, in welches eine permeable Oberfläche eingesetzt ist, die aus einem Nylonnetz 74 besteht, das von einer Drahtgaze 75 getragen wird und mit der senkrechten Fläche fluchtet. Hinter

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der Drahtgaze ist eine Saugkammer 76, die durch ein schalenförmiges rechteckiges Gehäuse 77 gebildet wird, das an der senkrechten Fläche mittels versenkter Schrauben 78 befestigt ist. Eine Gummidichtung 79 ist zwischen dem Gehäuse und der Drahtgaze eingepaßt, um eine luftdichte Abdichtung zu schaffen. Ein Abflußrohr 80 verbindet die Saugkammer 76 mit einer (nicht dargestellten) hochverdrängenden Säugpumpe mit niedriger Druckdifferenz.

Eine Dispersion von zerhackten Kohlenstoffasern in Glycerin wird aus einem Dispersionsreservoir durch ein Dispersionssuführungsrohr in den Diffusorteil 71 gepumpt» Der Diffusorteil gleicht das Strömungsmuster der Dispersion so aus, daß die Dispersion an jedem Punkt der Überlaufwand 72 mit angenähert der gleichen Geschwindigkeit ankommt. Wenn die Dispersion über die Überlaufwand strömt, beginnt sie sich unter dem Einfluß der Schwerkraft zu beschleunigen, und die Fasern richten sich Inder Strömungsrichtung, d. h. vertikal aus. Die Dispersion strömt an der vertikalen Fläche als fallender Film unter Beibehaltung der vertikalen Ausrichtung der Fasern herab und schließlich in einen Sammeltrog 82 und von da durch ein Rückflußrohr 83 zum Dispersionsreservoir zurück.

Wenn sich das gewünschte Strömungsmuster ausgebildet hat, läßt man Unterdruck mittels der (nicht dargestellten) Saugpumpe auf die Saugkammer 76 einwirken. Dies hat zur Folge, daß ein Teil des Glycerins durch das Nylonsieb oder -netz und die Drahtgaze durchtritt, so daß ausgerichtete Fasern auf dem Nylonsieb oder -netz zurückbleiben. Wenn die Matte aus ausgerichteten Fasern dicker wird, neigt sie

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dazu, das Strömungsmuster der Dispersion zu ändern₉ und daher lassen sich mit der beschriebenen Vorrichtung nur dünne Matten herstellen. Wenn dickere Matten erforderlich sind, ist es nötig, dafür zu sorgen, daß die permeable Oberfläche schrittweise zurückgezogen mrd, damit die Oberfläche der Matte mit der senkrechten Fläche 73 fluchtend bleibt.

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Claims

Patentansprüche

ί 1J Verfahren zum Herstellen einer Matte aus ausgerichteten Fasern, die sich zum Imprägnieren mit einem Matrixmaterial zwecks Bildung eines zusammengesetzten. Materials eignet, dadurch gekennzeichnet , daß man einen ständig beschleunigten Strom einer Faserdispersion in einem flüssigen Medium von einer Dispersionszuführungsquelle über eine permeable Oberfläche leitet, wodurch die Fasern einer ständigen Ausrichtungskraft unterworfen werden, und gleichzeitig eine Druckdifferenz durch die permeable Oberfläche derart einwirken läßt, daß ein Teil des flüssigen Mediums durch die permeable Oberfläche durchtritt und auf der Oberfläche eine Matte von ausgerichteten Fasern zurückbleibt.

.-ν

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der das flüssige Medium durch die permeable Oberfläche an jedem beliebigen Punkt abgezogen wird, unterhalb der Strömungsgeschwindigkeit der Dispersion über die Oberfläche an diesem Punkt hin gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abziehgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die permeable Oberfläche 5 - 30 % der Zuführgeschwindigkeit der Dispersion zur permeablen Oberfläche beträgt.

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4= Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abziehgeschwindigkeit der Flüssigkeit 10 - 15 % der Zuführgeschwindigkeit der Dispersion beträgt ο

5ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die über die permeable Oberfläche hinaus ström ende Überschußfaserdispersion zur Dispersionszuführungsquelle zurückleitet.

6 = Verfahrei nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ständige Ausrichtungskraft durch positive Beschleunigung der Faserdispersion bei ihren Strömen über die permeable Oberfläche hin erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung erzeugt wird, indem man die Dispersion zwischen der permeablen Oberfläche und einer oder mehreren nichtparallelen Oberflächen durchl eitet, die so artgeordnet sind·,, daß die Strömungsquerschnittsfläche in Strömungsrichtung ständig abnimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung durch Schwerkraft erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium wasserlöslich ist.

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10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium aus der Gruppe von Glycerin, wäßrigen Lösungen des Glycerins und wäßrigen Lösungen von Zelluloseäthern gewählt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die permeable Oberfläche eine starre Filteroberfläche aus einer gesinterten Glasplatte, einer gesinterten Metallplatte, einer porösen Polyäthyleniolie oder einer Metallgaze ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die permeable Oberfläche eine von einem festen Drahtnetz getragene flexible poröse Gaze ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verarbeiteten Fasern zerhackte Kohlenstoffasern, zerhackte Nylonfasern, Asbestfasern, Glasfasern, Süiziumnitridwhisker oder Siliziumkarbidwhisker sind.

14. Matte aus ausgerichteten Fasern in Form eines Hohlkegels mit längs der Erzeugungslinien des Kegels ausgerichteten Fasern, gekennzeichnet durch ihre Herstellung nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Matte aus ausgerichteten Fasern anschließend mit einer Lösung eines wärm eMrtenden Harzes in einem geeigneten Lösungsmittel imprägniert5 zur Entfernung des Lösungsmittels getrocknet und zur teilweisen Aushärtung des Harzes erhitzt wird ο

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