-
"Verbund-Glasfaserkabel und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung
betrifft ein aus vielen Glasseidenspinnfäden bestehendes Verbund-Glasfaserkabel,
das sich, für ein Glas mit gegebenem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient,
in steuerbarem Ausmaß zusammenzieht, so daß das Kabel über ei:aen weiten Umfang
veränderlicher Temperaturbedingungen im wesentlichen keine Längenveränderungen aufweist.
-
Derzeit im Gebrauch befindliche metallische und nichtmetalli sche
Kabelkonstruktionen unterliegen unter Zugbelastung unterschiedlich.er Dehnung. Der
Dehnungsgrad hängt teilweise von der Temperatur des Kabels ab. Bei der Verwerdung
zur tützung von Übertragungsleitungen und anderen Anwendungszwecken ist es erwünscht,
daß das Kabel unter veränderlichen Temperaturbedingungen eine hohe Zugfestigkeit
und eine geringe Dehnungsänderung besitzt.
-
In der US-PS 3 662 533 ist ein kernloses Verbund-Glasfaserkabel beschrieben,
das aus vielen Schichten von Giasfaserw strängen besteht, die mit konstantem Steigungswinkel
zusammengefacht sind, wobei jede der Glasfasern des Kabels von einem gehärteten,
elastomeren Mantel umhüllt ist. Die Kabel der US-PS 3 662 533 besitzen eine hohe
Zugfestigkeit und niedrige Dehnung; es sind jedoch keine Maßnahmen bekannt, um die
Dehnungseingenschaften
des Verbundkabels unter veränderlichen Temperaturbedingungen
zu steuern.
-
Die Erfindung betrifft ein Verbund-Glasfaserkabel des in der US-PS
3 662 533 beschriebenen Typs, bei dem sich gezeigt hat, daß die Steuerung des Steigungswinkels,
bei dem die Vielfach schichten der Glasfaserstränge gefacht werden, zur Steuerung
der Längenänderung unter veränderlichen Temperaturbedingungen verwendet werden kann.
Das Kabel wird so hergestellt, daß man Vielfachschichten aus Glasfasersträngen facht,
die einen gegebenen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizient besitzen.
-
Man verwendet hierzu eine ähnliche Vorrichtung, wie in der US-PS 3
662 533 beschrieben, wobei jede der Glasfasern vollständig von einem gehärteten
elastomeren Mantel urgeben ist.
-
Der Steigungswinkel jeder Strangschicht wird vom Kabelzentrum nach
der äußeren Oberfläche hin konstant gehalten. Die Steigung oder die Länge des Strangs
für jede volle Drehung (twist) variiert für jede Strangschicht. Der Steigungswinkel
kann z.B. etwa 120 oder weniger betragen, wobei Werte von etwa 5 bis 90 bevorzugt
werden. Selbstverständlich hängt der Stei.-gungswinkel von den Ausdehnungseigenschaften
der verwendeten Glasfaser ab. Hinsichtlich der Gesamtkabellänge wird die thermische
Ausdehnung der einzelnen Glasstränge durch eine Erhöilungdes Durchmessers der Matrix
aus Glas und Elastomeren, die das Kabel bildet, kompensiert. Auf diese Weise ist
es durch Auswahl eines Glases mit bestimmten thermischen Ausdehnungseigenschaften
möglich, durch Steuerung des Steigungswinkels und seine Konstanthaltung die lineare
Ausdehnung des Kabels zu steuern, um über einen weiten emperaturbereich entweder
sich ausdehnende oder zusammenziehende Kabel oder Kabel mit konstanter Länge zu
erhalten.
-
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Verbund-Glasfaserkabel, das
gekennzeichnet ist durch vielfache Schichten aus spiralig gewickelten Glasfasersträngen,
wobei jede der Glasfasern, die den Glasseidenstrang bilden, vollständig von einem
gehärteten, elastomern Mantel umgeben ist, der mit den
elastomeren
Mänteln, die benachbarte Einzelfäden sowohl des gleichen als auch benachbarter Stränge
umgeben, verbunden ist, jede Strangschicht den gleichen Steigungswinkel wie die
Ursprüngliche und benachbarten Strangschichten besitzt, und der Steigungswinkel
so ausgewählt ist, daß das Kabel ein2 gesteuert Dehnung über einen weiten Temperaturbereich
unter veränderliche Zugbelastungen besitzt.
-
Es war eine überraschende Entdeckung, daß die Verbund-Glasfaserkabel
des in der US-PS 3 662 533 (auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird) beschriebenen
Typs so hergestellt werden können, daß sie eine im wesentlichen konstante Länge
unter sich ändernden Temperaturbedingungen behalten, und zwar durch Steuerung des
Steigungswinkels, bei dem das Kabel hergestellt wird.
-
Der Ausdruck "Steigung" bezeichnet hier den linearen Abstand entlang
der Achse des Kabels, den ein Glasfaserstrang oder Einzelfaden für eine vollständige
Umdrehung (360°) um die Oberfläche des Kabels benötigt, wie in Figur 3 dargestellt.
-
Die Berechnung der Steigung erfolgt nach Steigung (in Längeneinheiten)
= cotg. Steigungswinkel # . Kabeldurchmesser; der Ausdruck "Steigungswinkel" bezeichnet
den Winkel zwischen der horizontalen Ebene, die von dem gefachten Kabel gebildet
wird, und eine Ebene, die durch die Glasfaserstränge vom Verseilkopf, wie in den
Figuren 5 bis 9 dargestellt, gezogen wird.
-
Das Verbund-Glasfaserkabel wird so hergestellt, daM man eine Vielzahl
von Glasfasereinzelfäden oder -strängen spiralförmig in gleicher Richtung bei im
wesentlichen dem gleichen Steigungswinkel verseilt, wobei jeder Einzelfaden, der
das Kabel bildet, mit einem ungehärteten Elastomeren imprägniert ist.
-
Man kann auch bestimmte Glasfaserstränge, die das Kabel bilden mit
einer Komponcri te des ungehärteten Elastomeren und die restlichen Glasfaserstränge
mit einem Härter für das ungehärtete
Elastomere imprägnieren. Das
fertige Kabel enthält Vielfachsichten aus Glasfasersträngen, wobei jeder Glasfaserstrang,
den das Kabel enthält, vollständig von einem gehrte.-ten elastomeren Mantel umhüllt,
ist. Das Kabel ist im Querschnitt im wesentlichen homogen und besitzt keinen zentralen
Kern.
-
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung des Kabels sind im wesentlichen
die gleichen, wie in der US-Ps 3 662 535 beschrieben. Es wird eine Planeten-Kabelverseilmaschine
verwendet, mit der man einzelne Glasfaserstränge spiralförmig zusammenwickeln kann,
ohne sie zu zwirnen. Hierbei sind Spulen mit Glasfasserffträngen an der Peripherie
einer Planeten-Kabelverseilmaschine angeordnet, wobei sich in der Nähe jeder Spule
Auftragsvorrichtungen zum Aufbringen eines ungehärteten elastomeren Harzes bzw.
Polymerisate, z.B. eines Polyurethanharzes, auf die Glasstrange befinden, wenn diese
durch die Auftragungsvorrichtungen hindurchlaufen. Durch Drehen des Plsneten-Verseilkopfes
mit dem darauf befindlichen Glasseidenstrangapulen werden die Strange unter Bildung
des Kabels mit einander verseilt (twisted). Wird ein Endloskabel gewünscht, so wird
das (zusammen)gefachte Kabel durch den Verbindungs punkt oder gemeinsamen Treffpunkt
der zusammengewickelten Glasseindenstränge und anschließende Schichten aus Glasseidenstranges,
die um die ursprünglIche Schicht gefacht sind, Z-(1-rückgeführt. Es können Mehrfach-Verseilköpfe
verwendet werden, um ein endloses Verbund-Glasfaserkabel herzustellen, wobei das
Kabel aus Viel.fachschichten von Glasfasersträngen besteht, die an Vielfach-Verseilstationen
entlang eines linearen Laufs angewendet werden. Das fertige Kabel ist kernlos, wobei
alle das Kabel bildenden Einzelfäden im wesentlichen den gleichen Steigungswinkel
besitzen und sämtliche Einzelfäden mit einem gehärteten elastomeren Mantel umhüllt
sind.
-
Bei den bevorzugten Elastomeren, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Kabel verwendet werden, handelt es sich um Urethanelastomere, die durch Vermischen
eine Urethan-Verpolymerisats
mit einem Härter für das Karz in berechneten
Mengen hergestellt werden. Urethanharze dieses Typs sind im handel erhältlich.
-
Es wurde gefunden, daß Veränderungen im Steigungswinkel, bei dein
die Kabcl hergestellt werden, ein fertiges Kabel ergehen, das sich, unter veränderlichen
Temperaturbedingungen, bei gegebener Zugbelastung zusammenzieht. Dies ist völlig
überraschend, da die meisten herkömmlichen Kabelmaterialien mit steigender Temperatur
länger werden. Hinsichtlich der Gesamtkabellänge wird die thermische Ausdehnung
der einzelnen Glasstränge durch eine Durchmesserzunahme der Matrix aus Glas und
Elastomerem, die das Kabel bilden, kompensiert.
-
Die Entdeckung dieser Eigenschaft des Kabels führte zur Herstellung
eines Kabels, das, unter in großem Umfang veränderlichen Temperaturbedingungen,
eine im wesentlichen konstante Länge beibehält. Durch Auswahl eines Steigungswinkels
innerhalb eines bestimmten Bereichs kann ein Kabel hergestellt werden, das, nach
Maßgabe des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, eine konstante Länge
über einen weiten Temperaturbereich besitzt.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen: Figur 1 die Dehnungseigenschaften eines Kabels aus herkömmlichem Material
und die Kontraktionseigenschaften eines erfindungsgemäß hergestellten Verbund-Glasfaserkabels
mit unterschiedlichen Ste-igungswinkeln unter veränderlichen Temperaturbedingungen,
Figur 2 die Kontraktion von Verbund GlasfaserkabelTl unter veränderlicher Zugbelastung
in Abhängigkeit der Temperatur, Figur 3 einen teilweisen Querschnitt des Verbundkabels
zur Definition des Ausdrucks Steigung", Figur 4 die Abhängigkeit der Steigung (in
inch) von der Kontraktion (in inch) für einen Kabelabschnitt (von 10O inch),
Figuren
5 bis 9 den Steigungswinkel und die Steigung (in inch) von Verbund-Glasfaserkabeln,
deren Kontraktionsseigenschaften unter veränderlichen Temperaturbedingungen in Fig.
1 dargestellt sind, , und Figur 10 dic Eigenschaften von Verbundkabeln, die mit
gleichem Steigungswinkel, jedoch unterschiedlichen Durchmessern und Elastomergehalten
hergestellt werden sind.
-
Fig. 1 zeigt die Kontraktion des erfind dungsgemäßen Verbundkabels
bei veränderlichen Steigungswinkeln im Temperaturbereich von 21 bis 77°C (70 bis
170°F) in Gegensatz zur Dehnungsherkömmlicherweise zur Kabelherstellung verwendeter
anderer Materialien im Temperaturbereich von 21 bis 77°C. Alle untersuchten Kabel
wurden einer Zugbelastung von etwa 907 kg (2000 lbs.) unterworfen.
-
Das Testkabel 1 besteht aus einer zylindrischen Gruppierung von parallelen
Glasfasern, die bei Anwendung einer Zugbelastung von etwa 907 kg (2000 lbs.) und
Erhitzen von etwa 21 auf 77°C (70 bis 170°F) in einem 254 cm (100 inch)-Kabelabschnitt
eine Dehnung von etwa 0,38 mm (0,015 inch) besitzen.
-
Das Kabel 2, ein Drahtseil von 7,9 mm (5/16 inch) Durchmesser, besitzt
in einem 254 cm (100 inch)-Kabel&bschnitt bei 7700 (170°F) eine Dehnung von
etwa 1,14 mm (0,045 inch).
-
Das Kabel 3, das ein Stahlband der Abmessungen 0,64 x 12,7 rnm (0,025
x 0,500 inch) darstellt, zeigt in einem 254 cm (100 inch)-Kabelabschnitt bei 77°C
(170°F) eine Dehnung von etwa 1,98 mm (0,078 inch).
-
Im Gegensatz zur Ausdehnung der oben beschriebenen Materialien ziehen
sich die erfindungsgemäßen Verbund-Glasfaserkabel nach Maßgabe des Steigungswinkels
mit steigender Temperatur zusammen. Alle von Fig. 1 erfaßten Kabel besitzen einen
Durchmesser von 9,5 mm (3/8 inch) und sind gemäß der US-PS 3 662 533 hergestellt
worden, mit der Ausnahme, daß das umgehärtete
Urethanharz, das
auf die Glasfaserstränge vor dem Verseilen (twisting) aufgebracht worden ist, den
härter enthält. Selbstverständlich bedeutet nachfolgend die Bezeichnung "Steigung",
sowohl in der Beschreibung als auch in den Zeichnungen, den "Steigungs"-Abstand
der Schicht von Glasseidensträngen auf der äußeren Schicht oder dem Enddurch messer
des betreffenden Kabels. Wie in Fig. 1 dargestellt, zieht sich das Kabel (a), das
einen Steigungswinkel von etwa 25°15' und eine Steigung von 64 m (2,5 inch) besitzt
in einem 254 cm (100 inch)-Kabelabschnitt um etwa 1,78 mm (0,070 inch) zusammen,
wenn die Temperatur von 21 auf 77°C (70 bis 170°F) gesteigert wird. Das Kabel (b),
das einen Steigungswinkel von etwa 21050i und eine Steigin;; von etwa 76mm (3,0
inch) besitzt, zeigt in einem 254 cm -Kabelabschnitt eine Dehnung von etwa 1,02
mm (0,04 inch), wenn die Temperatur von 21 auf 77°C gesteigert wi:"d. Das Kabel
(c), das einen Steigungswinkel von etwa 17025 und eine Steigung von 97 mm (3,8 inch)
besitzt, zieht sich in einem 254 cm Kabel abschnitt um etwa 0,64 mm (0,025 inch)
zusammen, wenn die Temperatur von 21 auf 7700 gesteigert wird. Das Kabel (d) mit
einem Steigungswinkel von 11°45' und einer Steigung von 145 mm (5,7 inch) zieht
sich in ein 254 cm -Kabelabschnitt um etwa 0,18 mm (0,007 inch) zusammen, wenn die
Temperatur von 21 auf 77°C gesteigert wird. Das Kabel (e), das einen Steigungswinkel
von 706' und eine Steigung von 224 mm (9,6 inch) besitzt, zieht sich in einem 254
cm -Kabelabschnitt um etwa 0,05 mm (0,002 ineh) zusammen, wenn die Temperatur von
21 auf 7700 gesteigert wird.
-
Die Zugbelastung, der die Verbund-Glasfaserkabel unterworfen werden,
hat offensichtlich keinen Einfluß auf die Kontraktionseigenschaften der Verbundkabel
während ihres Erhitzens, zumindest bei solchen Zugbelastungen, die normalerweise
bei der Verwendung von Kabeln angewendet werden. Dies ist in Fig. 2 dargestellt,
die die Abgängigkeit der Kontraktion (in inch) eines 254 cm (100 inch)- Kabelabschnitts
in Abhängigkeit von der Temperatur (in °F) bei Zugbelastungen von 227 ,
476
und 930 kg (500 , 1050 bzw. 2050 lbs.) zeigt. Das unter suchte Kabel besitzt einen
Durchmesser von 9,5 nim (3/8 inch)? eine Steigung von 97 mm (3,8 inch) und einen
Steigungswinkeln von etwa 17025.
-
Fig. 4, eine Auftragung der Steigung (in inch) gegen die Kontraktion
(in inch) für einen 254 cm (100 inch)-Kabelabschnitt, zeigt den Anstieg der thermischen
Stabilität der Verbund-Glasfaserkabel mit zunehmendem Steigungswinkel. Bei den untersuchten
Kabeln handelt es sich un die gleichen Kabel wie in Fig. 1 beschrieben, die alle
einen Durchmesser von 9,5 mm (3/8 inch) besitzen. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist
oberhalb einer Steigung von etwa 165 mm (6,5 inch) das Verbundkabel bei Temperaturen
von 21 bis 77°C im wesentlichen thermisch stabil. Von etwa 145 bis 165 mm (5i7 bis
6,5 inch) zieht sich das Verbund-Glasfaserkabel mit steigender Temperatur zusammen,
jedoch nicht in bedeutendem Ausmaß. Unterhalb einer Steigung von etwa 145 mm (5,7-
inch) unterliegt jedoch das Verbund-Glasfaserkabel einer zunehmenden Kontraktion
mit steigender Temperatur, so daß das Kabel unter den angegebenen Temperaturbedingungen
nicht thermisch stabil ist.
-
Fig. 10 zeigt die Herstellung von Verbund-Glasfaserkabeln mit im wesentlichen
dem gleichen Steigungswinkel, jedoch unterschiedlichen Durchmessern und Elastomerengehalt.
-
Unter einer Zugbelastung von etwa 907 kg (2000 lbs.) und einer Veränderung
der Temperatur von 21 auf 77°C (70 bis 1700F) besitzen die Kabel im wesentlichen
die gleichen Eigen schaften des Verbundkabels.
-
Erfindungsgemäß können Verbund-Glasfaserkabel des oben be schriebenen
Typs hergestellt werden, die über einen weiten Temperaturbereich nach Maßgabe des
Steigungswinkels, bei den die Glasfasern verarbeitet werden, und des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Glasses,sich entweder ausdehnen, zusammenziehen oder
konstant bleiben. Die Ausdehnungszeigenschaften
von Glasfasern
sind unter den im Handel erhältlichen Typen etwas verschieden. Je größer der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Glases, desto größer muß der Steigungswinkel sein, wobei
man mehr Umdrehungen pro Längeneinheit benötigt, um den Einfluß der Ausdehnung der
Glasscidensplunf2d zu kompensieren.
-
Patentansprüche