DE2637536B2

DE2637536B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Fasern aus einem unter Wärme erweichenden Material

Info

Publication number: DE2637536B2
Application number: DE2637536A
Authority: DE
Inventors: Eiji Mizushima; Nobuyoshi Ohsato; Keihachiro Tanaka
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1975-08-20
Filing date: 1976-08-20
Publication date: 1979-02-22
Also published as: GB1555780A; US4243400A; CS199636B2; FR2321556A1; US4135903A; IT1065723B; MY8100321A; BE845378A; DE2637536A1; JPS5225113A; DE2637536C3; FR2321556B1; JPS5857374B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasern aus einem unter Wärme erweichenden Material, bei welchem der aus einer Ausflußdüse ausfließende Schmelzestrahl des Materials der Einwirkung von geradlinigen, eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasströmen ausgesetzt wird, die in Abständen um den Umfang der Schmelze angeordnet sind, geneigt zur Achse des Schmelzestrahls verlaufen und eine tangentiale Strömungskomponente längs des Querschnitts der Schmelze haben, welche eine Drehung des Schmelzestrahls um seine Achse bewirkt.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (DE-PS 8 11 139) läßt man die Gasströme so geneigt und tangential zur Achse des Schmelzestrahles verlaufen, daß die Gasströme den Schmelzestrahl nicht berühren und ein den Schmelzestrahl umgebendes Bündel bilden. Die den Schmelzestrahl umgebenden Gasströme nehmen die Luft innerhalb des vom Bündel umgebenen Raumes mit, wobei die Luft durch die Übereinanderlagerung der axialen und tangentialen Bewegung der Gasströme abgesaugt und in Drehbewegung gebracht wird. Das Absaugen der Luft erzeugt innerhalb des von den Gasströmen umschlossenen Raumes einen Unterdruck, welcher eine

Zertejlung des Schmelzestrahls in Fasern bewirkt. Die Zerteilung des Schmelzestrahles wird dabei noch durch die Schleuderwirkung begünstigt, welche durch die von der abgesaugten Luft bewirkte Drehung des Schmelzestrahls hervorgerufen wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird also der aus einer Düse austretende Schmelzestrahl mit Hilfe eines durch Gasstrahlen erzeugten Unterdruckes auseinandergerissen und in einzelne Fasen zerfetzt Das Auseinanderreißen und Zerfetzen des Schmelzestrahls erfolgt sehr unkontrollierbar und läßt sich kaum steuern. Der Schmelzestrahl wird daher in unregelmäßiger Weise in Fasern unterschiedlichen Durchmessers und unbrauchbare Klumpen und Tropfen zerteilt

Der Anteil an unbrauchbaren Klumpen und Tropfen ist dabei verhältnismäßig hoch. Das Auseinanderreißen des Schmelzestrahls führt häufig zu einem vorzeitigen Ablösen größerer Schmelzemengen in Form eines Klumpens, so daß der kontinuierliche Fluß des Schmelzestrahls gestört ist und der Schmelzestrahl stoßweise dem von den Gasströmen erzeugten Unterdruck ausgesetzt ist Dieser diskontinuierlich e Fluß des Schmelzestrahls erschwert dessen Zerteilung erheblich. Darüberhinaus ist es mit diesem bekannten Verfahren nicht möglich, den ohnehin nur in beschränktem Umfang anfallenden Fasern einen sehr kleinen Durchmesser zu geben.

Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem ein kontinuierlicher Schmelzfluß, ein überaus hoher Anteil an Fasern bezogen auf die behandelte Schmelze und ein Fasermaterial mit dünnen und im wesentlichen gleichmäßigen Durchmessern erreicht werden kann.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Gasströme so auf die Oberfläche des Schmelzestrahls gerichtet werden, daß die Schmelze zu einem rotierenden Kegel in einer ersten Zone ausgezogen wird, die von der Ausflußdüse der Schmelze bis zu der Stelle reich , bei welcher die Gasströme der Achse des Schmelzestrahls am nächsten sind und daß die Schmelze in einer an die erste Zone anschließenden zweiten Zone dazu gebracht wird, daß die Schmelze in fasriger Form vom engsten Durchmesser des Kegels spiralförmig in Strömungsrichtung und radial nach außen wegfliegt, wobei der Abstand zwischen der Ausflußdüse der Schmelze und dem engsten Durchmesser des Kegels in einem Bereich vom 0,2- bis 10-fachen des Öffnungsdurchmessers der Ausflußdüse eingestellt wird.

Beim Verfahren geti.äß der Erfindung werden die Gasstrome gegen die Oberfläche des Schmelzestrahls gerichtet, wobei die Gasströme die Oberfläche des Schmelzestrahls berühren. Hierdurch wird der Schmelzestrahl von den Gasstrahlen eingeschnürt, zusammengedrückt und zu einem rotierenden Kegel mit einer stromab gerichteten Spitze ausgezogen. Die Gasströme ziehen aus der Spitze des Kegels einen Schmelzefaden, der von den unterhalb der Kegelspitze divergierenden Gasströmen spiralförmig, d. h. in axialer und radialer Richtung weiterbewegt wird. Da bei dem Verfahren gemäß der Erfindung jeweils nur ein einziger Faden aus der Spitze des Schmelzekegels abgezogen wird, ist gewährleistet, daß die Umwandlung des Schmelzestrahls in ein Fasermaterial stets unter gleichbleibenden Bedingungen erfolgt Hierdurch wird einmal ein kontinuierlicher Schmelzefluß und zum anderen ein Fasermaterial erreicht, das im wesentlichen gleiche Durchmesser hat. Das Ausziehen eines Fadens aus der Kegelspitze des Schmelzestrahls gestattet darüberhinaus die Herstellung eines Fasermaterials mit sehr geringen Durchmessern. Schließlich ist der Anteil an unerwünschten Tropfen bezogen auf die behandelte Schmelze verhältnismäßig gering.

Wenn die Gasströme mit einem Winkel von 20—70°

gegen die Mittelachse des Schmelzestrahls geneigt werden, erhält der Schmelzestrahl eine Kegelform, die für das Ausziehen eines Fadens aus der Kegelspitze

ίο besonders günstig ist

Eine weitere Verdünnung der mit dem Verfahren hergestellten Fasern läßt sich dadurch erreichen, daß ein weiterer, eine hohe Geschwindigkeit aufweisender Gasstrom so auf die vom engsten Durchmesser des Kegels abgeflogene, fasrige Schmelze geblasen wird, daß die Schmelze durch den weiteren Gasstrom längs zur Achse des Schmelzestrahls gestreckt wird.

Besonders günstige Voraussetzungen zur Herstellung von Fasern aus einer Schmelze werden dadurch erzielt, daß die Viskosität der Schmelze unmittelbar vor der Drehung in der ersten Zone in einem Bereich von 10—200 Poise, vorzugsweise 50—100 koise, eingestellt wird.

Besonders dünne und gleichmäßige Fasern lassen sich dadurch erreichen, daß die Durchmesser d\ der Gasstrahldüsen und der Durchmesser D₂ eines Kreises, welcher in den die Achse des Schmelzestrahls am engsten Durchmesser des Kegels umgebenden Mittellinien der Gasströme einbeschrieben ist, aus einem JO Bereich ausgewählt werden, welcher durch die Verbindung der Punkte (0; 0) (3,0; 53). (3,0; 7,0), (2,4; 7,0) und (0,0; 2,0) in einem Diagramm umrissen ist, bei welchem der Durchmesser d\ in mm der Gasstrahldüse auf der Abszisse und der Durchmesser D₂ in mm auf der Ordinate abgetragen sind.

Weitere vorteilhafte Abwandlungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung gehen aus den Ansprüchen 6 und 7 näher hervor.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Herstel- « lung von Fasern aus einem unter Wärme erweichenden M?terial zeichnet sich dadurch aus, daß die Ausflußdüse einen Durchmesser von 0,5— 10 mm hat, die Gasstrahldüsen mit einem Winkel von 20—70°, vorzugsweise 35—55°, gegen die Mittelachse der Ausflußdüse geneigt ¹^ sind, die Mittelachsen der Gasstrahkiüsen in einem Abstand von 0,1 —lmm an der Mittelachse der Ausflußdüse unter Bildung eines Fokuspunktes vorbeilaufen, und daß der Abstand zwischen dem Auslaß der Ausflußdüse und dem Fokuspunkt das 0,2— 10-fache des vi Durchmessers der Ausflußdüse beträgt.

Eine besonders gute Einschnürung des aus einem

Schmelzetiegel austretenden Schmelzestrahls zu einem Kegel läßt sich dadurch erreichen, daß die Austrittsöffnungen der Gasstrahldüsen längs eines die Ausflußdüse

")"> umgebenden Kreises in einem gegenseitigen WinLelabstand angeordnet sind, der bei Verwendung von 3 Gasstrahldüsen gleich ist und bei Verwendung von 4 oder 6 Gasstrahldüsen abwechselnd einen hohen und niederen Wert ha\ von denen der hohe Wert zwischen

i» 95 und 135" liegt.

Eine straffe Bündelung der auf den Schmelzestrahl

einwirkenden Gasstrahlen läßt sich dadvircn erreichen, daß die Gasstrahldüsen eine Länge haben, die mindestens fünf mal so groß wie der Durchmesser der

"> Gasstrahldüsen ist.

Eine optimale Ausnutzung der gegen den Schmel/estrahl gerichteten Gasstrahlen wird dadurch erreicht, daß die Ausflußdüsen in einem gegenseitigen Abstand

angeordnet sind, bei welchem nach dem Ziehen eines Kreises mit einem Radius von 10 mm um den Mittelpunkt einer jeden Ausflußdüse eine Überlappung der Kreise auftritt.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

lip. I einen vereinfachten Querschnitt /ur Darstellung des Grundkonzeptes des Verfahrens gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine vereinfachte Unteransicht zur Darstellung des Grundkonzeptes des Verfahrens gemäß der Erfindung.

F i g. 3 und 4 schematische Ansichten zur Darstellung der Anordnung der Gasstrahldüsen.

F i g. 5 und 6 .schematische Ansichten mit der Darstellung der Beziehung zwischen einer in Form von fasern fliegenden Schmelze und einem Gassirom.

F i g. 7 ein Diagramm, in welchem der mittlere Durchmesser d\ einer Düse zum Ausblasen des Gasstromes auf der Abszisse und der gezogene Durchmesser Di der Düse auf der Ordinate abgetragen ist.

Fig.8-a.9-a. 10-a, 11-a. 12-a. 13-a. 14-a vereinfachte Querschnitte einiger Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

F i g-8-b, 11-b und 14-b Querschnitte längs derLinien A-A in den F i g. 8-a. I la. 14-a,

Fig.9-b. 10-b. 12-b. 13-b Unteransichten der in den F i g. 9-a. 10-a. 12-a, 13-a dargestellten Vorrichtungen,

Fig. 15-a bis 15-d schematische Ansichten, welche die Anordnung einer Vielzahl von Ausflußdüsen für die Schmelze zeigen.

Im nachstehenden wird anhand der F i g. 1 und 2 das Grundkonzept des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Herstellung von Fasern aus einer durch Wärme erweichenden Masse beschrieben.

Das unter Wärme erweichende Material wird in einem in der Zeichnung teilweise dargestellten Schmelztiegel 2 nach einem geeigneten bekannten Verfahren erhitzt, um das Material in eine viskose Schmelze 4 umzuwandeln. Anschließend läßt man die Schmelze 4 direkt und kontinuierlich durch eine im Schmelzetiegel \orgesehene Düse 8 durch das Eigengewicht der Schmelze und/oder durch den Druck im Inneren des Schmelztiegels ausfließen. Die Ausflußdüse 8 ist vorteilhafterweise unten an der Bodenwand 6 des Schmelztiegels angeordnet. Die Ausflußdüse 8 kann in einer beliebigen Richtung der Bodenwand oder Seitenwand und dergleichen des Schmelztiegels angeordnet sein, so daß die Schmelze in jeder beliebigen Richtung ausfließen Kann. Die Ausflußdüse hat vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt. Der Durchmesser der Schmelze unmittelbar nach dem Austritt liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 10 mm.

Dann werden mindestens 3 geradlinige, eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Gasstrahlen 12 oder ein ringförmiger, eine hohe Geschwindigkeit aufweisender Gasstrom gegen die Schmelze gerichtet. Die drei geradlinigen Gasstrahlen 12 werden aus mindestens drei Düsen 10 ausgeblasen, die in Abständen längs des Umfangs um die Ausflußdüse 8 angeordnet sind. In F i g. 2 sind nur ein Loch 8a der Düse 8 und um drei Löcher 10a der Düsen 10 gezeigt, um die Zeichnung zu vereinfachen. Der ringförmige Gasstrom wird aus einer ringförmigen Gasdüse ausgeblasen, die um die Ausflußdüse 8 angeordnet ist Es ist wesentlich, daß der gegen die Schmelze gerichtete Gasstrom eine Komponente in Tangentialrichtung (Richtung des Pfeiles A in F i g. 2) längs des Querschnittes der aus der Düse 8 fließenden Schmelze und eine Komponente (Pfeil B in Fig. I) aufweist, die sich allmählich der Mittellinie der Schmelze in deren I ließrichtung nähert und anschließend sich allmählich von der Mittellinie entfernt.

Die Schmelze wird durch die Wirkung der vorstehend beschriebenen, eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasströme um ihre Mittellinie gedreht und in eine im wesentlichen konische Form 4a gebracht, deren Querschnitt in Fließrichtung in einer ersten Zone 16 allmählich abnimmt. Die erste Zone 16 reicht von der Aiislaßöffnung der Ausflußdüsc 8 bis zu einer Stelle 14, bei welcher der Gasstrom der Mittellinie der Schmelze am nächsten ist. Die Stelle 14 wird als Fokuspunkt bezeichnet. Wenn die Mittellinien der geradlinigen Gasströme der Mittellinie der Schmelze an verschiedenen Punkten längs der Mittellinie der Schmelze am nächsten kommen, ist der Fokuspunkt der Punkt, bei welchem der Durchschnitt der Abstände zwischen den Mittellinien der Gasstrahlen und der Mittellinie der Schmelze zu einem Minimum wird.

In der ersten Zone 16 haben mindestens drei geradlinige, eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Gasstrahlen 12 oder der ringförmige, eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Gasstrom, welche auf die Oberfläche der ausgeflossenen Schmelze einwirken, eine Komponente in Tangentialrichtung (Richtung des Pfeiles A tu F i g. 2). Es wirkt daher ein Drehmoment in Richtung des Pfeiles C in Fig. 2 auf die Schmelze. Dieses Drehmoment versetzt die Schmelze in eine Drehung in Richtung des Pfeiles Cum die Mittellinie der Schmelze. Da die eine hohe Geschwindikgeit aufweisenden Gasströme in der ersten Zone 16 auch eine Komponente in einer durch den Pfeil B in F i g. 1 gezeigten Richtung aufweisen, die sich allmählich der Mittellinie der Schmelze in deren Fließrichtung nähert, wird die Schmelze zurückgehalten, so daß deren Querschnitt in Fließrichtung allmählich abnimmt, wodurch die Schmelze in eine konische Form 4a gebracht wird, die in Fließrichtung spitz zuläuft.

Die in der ersten Zone 16 gebildete, konische Form der Schmelze ist vorzugsweise derart, daß der Durchmesser des konischen Formgebildes am kleinsten Ende etwa 0.1 bis 1 mm beträgt. Versuche haben zu der Bestätigung geführt, daß die fließende Schmelze gern diskontinuierlich wird und nichtfasrige Massen entstehen, wenn der Abstand zwischen dem Auslaß der Düse 8 und dem kleinsten Ende des Konus zu groß ist. Man stellt daher diesen Abstand vorteilhafterweise so ein. daß er nicht mehr als das zehnfache des Innendurchmessers der Ausflußdüse 8 beträgt. Diese Versuche zeigen andererseits, daß die aus der Düse 8 ausgetretene Schmelze sofort in tangentialer Richtung wegfliegt und möglicherweise keinen stabilen Konus bildet, wenn der vorstehend erwähnte Abstand zu klein ist Es ist daher erforderlich, daß dieser Abstand mehr als 20% des Innendurchmessers der Düse 8 beträgt.

In einer der ersten Zone 16 folgenden zweiten Zone 18 fliegt die Schmelze kontinuierlich in fasriger Form von der Spitze des Konus in Fließrichtung und radial nach außen in einer Spiralform 4b weg. Dadurch wirkt eine Zugkraft in Fließrichtung der Schmelze auf den Konus 4a. Diese Zugkraft wird auf die Schmelze innerhalb des Schmelztiegels 2 übertragen, wodurch das Ausfließen der Schmelze durch die Düse 8 unterstützt wird.

Der Konus 4a wird daher stabil und kontinuierlich gehalten. Auf der anderen Seite wird die in Form einer

Faser von der Spil/e des Konus 4;) wegfliegende Schmelze 4/) einer Zugkraft unterworfen, welche durch die Trägheitskraft der Drehung der Schmelze und durch den auf die Schmelze einwirkenden, eine hohe Geschwindigkeit aulweisenden Ciasstrom hervorgerufen wird, so daß die Schmelze in Form der Faser gezogen und in ihrem Querschnitt vermindert wird.

Die Schmelze fliegt daher vom linde des Konus 4;; aufgrüne der durch die Drehung hervorgerufenen Zentrifugalkraft weg, und die weggeflogene fasrige Schmelze wird durch die Wirkung des eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasstromes beschleunigt.

Da sich das Ende des Konus 4.7 weiter dreht, ändert sich die Art des Flicgens kontinuierlich in Drehrichtung. Ks fließt daher ein einziger kontinuierlicher Faden der Schmelze 4b in einer Wirbelform vom F.nde des Konus 4.7 weg. Die weggeflogene fasrige Schmelze 4b wird durch den eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden GdSMiOiVl beschleunigt üiiu hierdurch gCZögCH und JiTt Querschnitt verringert. Es können daher in Abhängigkeit vom Ausmaß der Zugwirkung des eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasstromes beispielsweise Filamente mit einem Durchmesser von 10 bis 100 Mikron oder Kurzfasern mit einem Durchmesser von 0,1 bis 20 Mikron hergestellt werden.

Wenn es zum Ziehen und Verringern des Querschnittes der Fasern erforderlich ist, kann zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten, eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasstrom ein weiterer eigener, eine hohe Geschwindigkeit aufweisender Gasstrom an die weggeflogene 5 chmelze angelegt werden.

F.s ist nicht unbedingt erforderlich, den vorstehenden Gasstrom auf einer hohen Temperatur zu halten. Er wird vorteilhafterweise auf einer Temperatur gehalten, bei welcher die Schmelze in gewünschter Weise gezogen werden kann. Diese Temperatur liegt beispielsweise für Glas zwischen 500 und 1500⁰C. Die bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes liegt zwischen 200 und 1000 m/s. Beispiele für das Gas sind unter hohem Druck stehende Luft, Hochdruckdampf und abgebrannte Gase.

Es wurde festgestellt, daß verschiedene Faktoren verschiedene Wirkungen auf die Qualität der sich ergebenden Fasern und auf den Wirkungsgrad der Produktion und dgl. beim Verfahren der vorstehend beschriebenen Erfindung haben.

Wenn vier Strahldüsen 10a verwendet werden, sind diese Strahldüsen vorzugsweise so angeordnet, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. wonach zwei Winkel θι zwischen 95 und 135°, und die anderen beiden Winkel θ₂ zwischen 45 und 85° betragen. Wenn sechs Strahldüsen verwendet werden, sind sie vorteilhafterweise so angeordnet, daß drei (oder zwei) Winkel θι zwischen 95 und 135° betragen (F i g. 4).

Fig.5 ist eine Ansicht, in welcher die eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasstrahlen 12 und die Schmelze dargestellt sind, die in der Zone 18 in Faserform weggeflogen ist Das Bezugszeichen t_o zeigt den Zustand der fasrigen Schmelze zu einem bestimmten Zeitpunkt, ii deren Zustand nach einer Zeitspanne von At Sekunden, und f₂ deren Zustand nach einer Zeitspanne von 2 At Sekunden usw. Bevor die fasrige Schmelze in einen der Gasstrahlen 12 eintritt, bewegt sich aufgrund der ihr innewohnenden Trägheitskraft der Drehung in radialer Richtung. Wenn sie in einen der Gasstrahlen eintritt, befindet sich ihr Vorderende außerhalb der Mittellinie des Gasstrahles 12. wie dies Iui /-, gezeigt ist. und der dem Vorderende nachfolgende I eil kreuzt den Gasstrahl 12. Andererseits ist die Geschwindigkeit des Ciasstrahls 12 in der Mitte am höchsten, während die Geschwindigkeit mit zunehmcn- •i den Abstand von der Mitte geringer wird. Die den Ciasstrahl 12 kreuzende fasrige Schmelze wird daher in der Mitte des Ciasstrahls 12 der Wirkung der schnellsten Ciasströmung ausgesetzt und daher am stärksten nach unten bewegt. Der Teil der Schmelze, der in radialer

in Richtung von der Mitte des Gasstrahls entfernt ist, wird der Wirkung der Gasströmung mit geringerer Geschwindigkeit ausgesetzt und daher weniger stark nach unten bewegt. Die fasrige Schmelze, die in den Gasstrahl 12 eintritt und den Strahl kreuzt, wird daher

r> an dem Teil am meisten vorwärtsbewegt, welcher die Mitte des Gasstrahls 12 erreicht hat. Die in den Gasstrahl eingetretene fasrige Schmelze wird andererseits an dem Teil weniger stark nach unten bewegt, der von dem in die Mitte des Gasstrahles eingetretenen Teil

2'y< weiter vorne oder hinten ist. Die i;!sri™e Schmelze wird aufgrund dieses Unterschiedes in der Verschiebung gezogen. Dies gilt auch dann, wenn die Schmelze einen der Gasstrahlen 12 nach einer Zeitspanne von 6^1/ Sekunden durchlaufen hat, und in den nächsten

2i Gasstrahl 12 eintritt. Es wird daher angenommen, daß die fasrige Schmelze 4b. die von der Spitze des Konus 4a weggeflogen ist. längs des in F i g. 6 dargestellten Ortes vorwärtsbewegt wird.

Wenn der Winkel zwischen zwei benachbarten Gasstrahlen weniger als 95° ist. kann die durch einen der Gasstrahlen hindurchgetretene fasrige Schmelze 4b nicht über eine ausreichende Strecke radial nach außen weiterbewegt werden, bevor sie den nächsten Gasstrahl erreicht. Wenn daher die fasrige Schmelze 4b in den nächsten Gasstrahl eintritt, befindet sich das Vorderende der fasrigen Schmelze 4b innerhalb der Mitte des Gasstrahls, und die fasrige Schmelze 4b hat den Gasstrahl nicht in ausreichendem Maße gekreuzt, sondern das Vorderende der fasrigen Schmelze 4b ist

■*o nur teilweise in den Gasstrahl eingetreten. Aus diesem Grund wird der fasrigen Schmelze 4b kein ausreichender Unterschied in der Verschiebebewegung erteilt, so daß die fasrige Schmelze nicht ausreichend gezogen werden kann.

Wenn der vorstehende Winkel mehr als 135° beträgt, besteht die Gefahr, daß der Gasstrahl 12 nicht in der Lage ist. die Schmelze in eine konische Form 4a zu bringen und richtig zu drehen.

In F i g. 7 ist die Beziehung zwischen dem »wirksamen Lochdurchmesser« d\ der Gasstrahldüse und dem »gezogenen Durchmesser« ^dargestellt. Der »gezogene Durchmesser« Di ist wie folgt definiert:

Der Gasstrahl 12 hat eine unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung über seinen Querschnitt. Wenn jedoch die Mittellinie des Gasstromes als eine Linie bezeichnet wird, welche durch die Mitte des Teiles des Gasstromes hindurchläuft, welcher die höchste Strömungsgeschwindigkeit und die größte Dichte der Bewegungsenergie hat, ist die Mittellinie des Gasstroms annähernd gleich der Verlängerung der Mittellinie der Gasstrahldüse 10. Wenn die Düse 10 nicht gerade, sondern gekrümmt ist, ist die Mittellinie des Gasstroms die Verlängerung der Tangente an die Mittellinie der Düse an deren Auslaß. Wenn der Abstand zwischen der Mittellinie der Schmelze und der Mittellinie des Gasstromes am Fokuspunkt 14 (wenn dieser Abstand sich von Gasstrom zu Gasstrom ändert, wird ein Durchschnittswert bestimmt) der gezogene Radius ist

und der doppelte Wert des gezogenen Radius tier »gezogene Durchmesser« ist, ist der gezogene Durchmesser gleich dem Durchmesser eines Kreises, welcher die Mittellinien einer Vielzahl von Ciasströmen am Fokuspunkt cinbeschrcibt (oder der Durchschnitt des ■> hingen Durc! ,nessers und des kurzen Durchmessers einer Ellipse).

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit eines die C'iiisstrahldüse 10 verlassenden Gasstrahls V ist, die Drehzahl der konischen Schmelze 46 pro Sekunde η ist. der Cj|eitk,)cffizient gleich k ist und die ge/.ogene Länge gleich Di ist, so ergibt sich für die Drehzahl η = kV/,τ lh. Wenn daher der gezogene Durchmesser Di verrringert wird, nimmt die Drehzahl zu. Es können daher feinere Fasern in größeren Mengen pro Zeiteinheit hergestellt werden. Wenn O> zunimmt, wird dip K raft schwach u/plrhr flip Schmelze in eine konische Form bringt, so daß sich kein stabiler Konus der Schmelze erzielen läßt. Es ist daher zweckmäßig, D^ auf nicht mehr als 7 mm einzustellen. Wenn der Wert für D₂ zu klein gemacht wird, kollidieren die Gasströme miteinander, da sie eine bestimmte Größe haben. Es entsteht daher eine unerwünschte Störung des Gasstroms, welche die Schmelze abdrängt. Es gibt eine optimale Beziehung zwischen dem wirksamen Lochdurchmesser d\ und dem gezogenen Durchmesser Dj, welche die Größe des Gasstroms bestimmen, der erforderlich ist, um einen stabilen Konus der Schmelze zu erzielen. Es wird vorzugsweise eine Kombination des wirksamen Lochdurchmessers d\ und des gezogenen Durchmessers D2 aus einem Bereich ausgewählt, der von fünf geraden Linien umgeben ist, wie dies in F i g. 7 gezeigt ist (siehe Beispiel 5). Der wirksame Durchmesser d\ läßt sich durch die Gleichung d\ = 4 S/l ausdrücken, worin S die Querschnittsfläche des Auslasses der Gasstrahldüse 10 und /die Umfangslänge ist. Wenn die Querschnittsfläche des Auslasses der Gasstrahldüse kreisförmig ist entspricht d\ dem Durchmesser dieses Kreises.

Man erhält die schraffierte Fläche in Fig. 7 dadurch, «o daß man den wirksamen Lochdurchmesser d\ in mm auf der Abszisse fA"-Achse) und den gezogenen Durchmesser Di in mm auf der Ordinate (V-Achse) abträgt, und die Punkte (0; 0), (3,0; 53). (3,0; 7,0), (2,4; 7,0) und (0; 2,0) nacheinander durch eine gerade Linie miteinander verbindet.

Wegen der beschränkten Arbeitsgenauigkeit ist es schwierig, den wirksamen Lochdurchmesser d\ kleiner als 0,05 mm zu machen. Wenn d\ mindestens 0,05 mm beträgt, ist der gezogene Durchmesser Di vorzugsweise so mindestens 0,1 mm. Wenn der wirksame Lochdurchmesser d\ zu groß wird, nimmt die Menge des verwendeten Gases in unwirtschaftlicher Weise zu. Der wirksame Lochdurchmesser d\ beträgt daher vorzugsweise nicht mehr als 3 mm.

Wenn der durchschnittliche Abstand zwischen den Mittellinien der Auslässe der in einer Anzahl von mindestens drei vorhandenen Gasstrahldüsen 10 und der Mittellinie der Schmelze mit 2 multipliziert und als »Ausblasdurchmesser« bezeichnet wird, haben die größeren Ausblasdurchmesser D_x die gleiche Wirkung, die erzielt würde, wenn der wirksame Lochdurchmesser d\ größer wird. Dies beruht darauf, daß der Gasstrom 12 nach seinem Austritt aus der Strahldüse 10 in seinem Querschnitt allmählich zunimmt Aus diesem Grund tritt gern eine Störung des Gasstroms auf, wenn der gezogene Durchmesser Dz nicht so eingestellt wird, daß er mindestens Vio des Ausblasdurchmessers D\ beträgt.

Darüberhinaus muß sich der Gasstrom nach seinem Austritt aus der Düse allmählich der Schmelze nähern, und es ist daher erforderlich, daß der Ausblasdurchmesscr D] größer als di-r gezogene Durchmesser Di ist. Der Ausblasdurchmesser D) muß daher weniger als das 10-fache, vorzugsweise das 1,3- bis 3,0-fachc des gezogenen Durchmessers D₂ betrag jn.

Im nachfolgenden werden einige besondere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung beschrieben.

Die in den Fig. 8 —a und 8 —b beschriebene Vorrichtung weist einen Schmelztiegel 2 auf, aus dem man die Schmelze 4 bei etwa 1400°C durch eine Ausflußdüse 8 ausfließen läßt. Ein ringartiger Brenner 100 aus einem feuerfesten Material ist um die Ausflußdüse 8 angeordnet. Die Ausflußdüse 8 besteht aus Platin und ist mit feuerfesten Materialien 101 und 102 überzogen. Der ringartige Brenner 100 besitzt eine im oberen Teil untergebrachte Brennkammer 103 und eine ringförmige Düse 10 zum Ausblasen eines Gasstroms 107 hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit. An der Eintrittseite der Brennkammer 103 ist ein Auslaß 104 einer Brennstoffdüse angeordnet, die mit der ringförmigen Brennkammer nahezu in Berührung steht. Längs des Umfanges der Brennstoffdüse wird ein Druckluftstrom 105 in die Brennkammer geblasen. Der in der Brennkammer 103 gezündete Brennstoff wird zu einem Gasstrom mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit, der etwa mit einer Temperatur von 1000⁰C aus der ringförmigen Düse 10 austritt. Die ringförmige Strahldüse 10 ist etwa mit 45° gegen die Senkrechte in ihrem Längsschnitt geneigt (siehe Fig. 8 — a). Da der Druckluftslrom 105 so in die Brennkammer 103 eingeblasen wird, daß er nahezu den Umfang der Brennkammer berührt, hat der heiße Gasstrom eine Komponente, welche die ausfließende Schmelze 4a gegen den Uhrzeigersinn in Fig. 8 —b um die Mittellinie der Schmelze in der gleichen Richtung dreht. Die Größe des Gasstromes wird durch den Strahlwinkel des Druckluftstromes 105 zur Brennkammer geregelt. Die Stärke der Drehkraft des Gasstromes innerhalb der Brennkammer wird beispielsweise durch eine Steuerplatte 90 gesteuert.

Die in den Fig. 9 —a und 9 —b beschriebene Vorrichtung weist sechs Brenner 108 mit Düsen 10 zum Ausblasen eines Gases mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit auf. Die sechs Brenner 108 sind in gleichen Abständen um eine Ausflußdüse 8 für eine Schmelze angeordnet. Das Innere des Brenners 108 hat einen solchen Aufbau, daß ein Brennstoff und Druckluft durch Leitungen 111 und 112 in die Brennkammer 113 eingeblasen werden. Die Umgebung der Brennkammer wird mit Kühlwasser gekühlt, das durch eine Leitung 109 und eine Auslaßleitung 110 fließt. Die Brenner 108 sind so angeordnet, daß der Fokuspunkt vom unteren Ende der Ausflußdüse 8 einen Abstand hat, der das 2-fache des Innendurchmessers der Ausflußdüse 8 beträgt.

Die in den Fig. 10-a und 10—b dargestellte Vorrichtung weist einen Brenner 114 auf, welcher einen Gasstrom mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit ausbläst und mit einer ringförmigen Brennkammer 103 und sechs Düsen 10 zum Ausblasen der Gasstrahlen ausgerüstet ist Das eine Ende einer jeden Düse 10 ist mit der Brennkammer verbunden. Die Strahldüsen 10 sind wie die in Fig.9—a und 9—b gezeigten Strahldüsen so angeordnet, daß die Gasstrahlen mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit

in der W?ise schräg nach unten gerichtet werden, daß die ausgetretene Schmelze unmiitelbar unterhalb der Spitze der Ausflußdüsc 8 zusammengedrückt wird. An der Steile, an welcher die Schmelze am meisten zusammengedrückt wird, gehen die Mittellinien der ^r> Gasstrahlen durch V₄ bis '/„ des Durchmessers der Schmelze hindurch, die gerade aus der Ausflußdüsc 8 ausgetreten ist.

Die in den Fig. 11—a und Mb dargestellte Vorrichtung weist zusätzlich /u der in den Fig. 8 —a to und 8 —b dargestellten Vorrichtung einen Brenner 116 auf, der mit einer ringförmigen Sirahldüse 115 ausgerüstet ist. Die ringförmige Strahldüse 115 bläst einen eigenen Gasstrom mit hoher Temperatur und hohem Druck gegen die fasrigc Schmelze, die vom Ende r> des Konus der Schmelze fliegt.

Die in den Fig. 12 —a und 12 —b dargestellte Vorrichtung weist einen Brenner 119 auf. der mit ringförmigen Strahldüsen 10 und mit Strahldüsen 118 ausgerüstet ist, die mit einer gemeinsamen Brennkam- :n mer 103 verbunden sind.

Die in den Fig. 13 —a und 13 —b dargestellte Vorrichtung weist drei Brenner 108 auf, die den Brennern 108 in den Fig. 9 —a und 9 —b entsprechen. Ferner besitzt die Vorrichtung drei Zugbrenner 121, r> deren Aufbau dem Aufbau der Brenner 108 entspricht. Die Schmelze, welche unter der Einwirkung der Gasstrahlen aus den Brenndn 108 in eine fasrige Gestalt gebracht worden ist, fliegt vor dem Fokuspunkt weg und wird durch die Wirkung der heißen jn Gasstrahlen aus den Zugbrennern 121 zu feinen Fasern verdünnt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind die Zugbrenner 121 zwischen den Brennern 108 angeordnet.

Wenn sechs Brenner verwendet werden, ist die in den is Fig. 13 —a und 13 —b gezeigte Anordnung wirkungsvoller zur Erzielung gleichförmiger Durchmesser der entstehenden Fasern als die in den F i g. 9 —a und 9 —b gezeigte Anordnung. Um die Durchmesser der Fasern gleichförmig zu machen, ist es weiterhin wirkungs\ oller, -ίο die Auslässe der Strahldüsen der Zugbrenner 121 in einer abgeflachten Form zu bauen, so daß die aus den Düsen austretenden Gasstrahlen die Gasstrahlen aus den Brennern 108 ausreichend überdecken.

Bei der in den Fig. 14—a und 14 —b dargestellten Vorrichtung ist eine Düse 8 in einer Bodenwand 123 eines Schmelztiegels 2 ausgebildet. Um die Bodenwand 123 ist eine Druckkammer !24 angeordnet. Die Bodenwand 123 und eine Wand 125 der Kammer 124 bilden eine ringförmige Gasstrahldüse 10. Die aus der Ausflußdüse 8 austretende Schmelze wird der Wirkung eines Gasstrahles aus der Strahldüse 10 unterworfen, wobei die Schmelze in feine Fasern verdünnt und abgegeben wird. Der aus der Strahldüse 10 auszublasende Gasstrom ist nahezu der gleiche wie der Gasstrom, der aus der Strahldüse der Fig. 8 —a und 8 —b austritt Der Strahlwinkel der Druckluft 105 gegen die Druckkammer 124 und das Ausmaß der Drehung des Gasstromes in der Kammer 124 werden durch eine Steuerplatte 90 geregelt.

Es ist besser, die .Schmelzedüsen näher aneinander anzuordnen, und mehr Düsen vorzusehen, die nahe beieinander liegen. Es gibt jedoch aufgrund der Überlappung der Schmelzedüsen und der Gasstrahldüsen eine physikalische Grenze hierfür. Darübcrhinaus wird die Wirkung kleiner, wenn die Düsen voneinander weiter entfernt sind. Wenn mindestens drei, vorzugsweise mindestens fünf faserbildende Einheiten (Ausflußdüsen für die Schmelze) so angeordnet werden, daß beim Ziehen einer. Kreises mit einem Radius von 10 mm. vorzugsweise von 5 mm, um den Mittelpunkt einer jeden Schmelzedüse mindestens drei sich überlappende Abschnitte zwischen den Kreisen entstehen, können bessere Ergebnisse erzielt werden, als es der Fall ist. wenn nur eine einzige faserformende Einheit vorgesehen wird. Die Grenze für die gegenseitige Annäherung zwischen den Schmelzedüsen beträgt etwa 1 mm zwischen den Mittelpunkten der beiden benachbarten Düsen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die faserbildenden Einheiten nahe aneinander heranzubringen. Einige Beispiele sind in den Fig. 15 —a bis 15 —d gezeigt. In Fig. 15 —a sind sieben faserbildende Einheiten mit einer Schmelzedüse 8 in einer geraden Linie mit einem gegenseitigen Abstand von 16 mm angeordnet. In diesem Fall gibt es sechs sich überlappende Abschnitte 11 der Kreise 9 mit einem Radius von 10 mm. In F ig. 15 —b sind drei faserbildende Einheiten mit einer Schmelzedüse 8 so angeordnet, daß die Mittelpunkte der Schmelzcdüsen die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Es gibt in diesem Fall sich drei überlappende Abschnitte 11. In Fi g. '.- — c sind drei faserbildende Einheiten mit einer Schmelzedüse 8 in einer geraden Linie mit einem gegenseitigen Abstand von 3 mm angeordnet. Es gibt in diesem Fall drei sich überlappende Abschnitte 11. In Fig. 15 —d sind drei Anordnungen der in Fig. 15 —b gezeigten Art mit einem gegenseitigen Abstand von 50 mm angeordnet.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Fasern aus einem unter Wärme erweichenden Material, bei welchem der aus einer Ausflußdüse ausfließende Schmelzestrahl des Materials der Einwirkung von geradlinigen, eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Gasströmen ausgesetzt wird, die in Abständen um den Umfang der Schmelze angeordnet sind, geneigt zur Achse des Schmelzstrahls verlaufen und eine tangentiale Strömungskomponente längs des Querschnitts der Schmelze haben, welche eine Drehung des Schmelzestrahls um seine Achse bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme so auf die Oberfläche des Schmelzestrahls gerichtet werden, daß die Schmelze zu einem rotierenden Kegel in einer ersten Zone ausgezogen wird, die von der Ausflußdüse der Schmelze bis zu der Stelle reicht, bei welcher die Gasströme der Achse des Schmel/estrahis am nächsten sind und daß die Schmelze in einer an die erste Zone anschließenden zweiten Zone dazu gebracht wird, daß die Schmelze in fasriger Form vom engsten Durchmesser des Kegels spiralförmig in Strömungsrichtung und radial nach außen wegfliegt, wobei der Abstand zwischen der Ausflußdüse der Schmelze und dem engsten Durchmesser des Kegels in einem Bereich vom 0,2- bis 10-fachen des Öffnungsdurchmessers der Ausflußdüse eingestellt wird.

2. Verfaf'-en nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme mit einem Winkel von 20 bis 70° gegen die Mittelachse des Schmelzestrahls geneigt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, eine hohe Geschwindigkeit aufweisender Gasstrom so auf die vom engsten Durchmesser des Kegels abgeflogene, fasrige Schmelze geblasen wird, daß die Schmelze durch den weiteren Gasstrom längs zur Achse des Schmelzestrahls gestreckt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bir 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität der Schmelze unmittelbar vor der Drehung in der ersten Zone in einem Bereich von 10 bis 200 Poise, vorzugsweise von 50— 100 Poise, eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser dt der Gasstrahldüsen und der Durchmesser Di eines Kreises, welcher in den die Achse des Schmelzestrahls am engsten Durchmesser des Kegels umgebenden Mittellinien der Gasströme einbeschrieben ist, aus einem Bereich ausgewählt werden, welcher durch die Verbindung der Punkte (0;0), (3,0; 53), (3,0; 7,0), (2,4; 7,0) und (0,0; 2,0) in einem Diagramm umrissen ist, bei welchem der Durchmesser d\\n mm der Gasstrahldüse auf der Abszisse und der Durchmesser D₂ in mm auf der Ordinate abgetragen sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausblasdurchmesser D\ eines Kreises, auf welchem sich die Austrittsöffnungen der Gasstrahldüsen befinden, auf weniger als das 10-fache des Durchmessers Ch, vorzugsweise auf einen Bereich zwischen dem 1.3 und 3-fachen des Durchmessers Ch eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der engste Durchmesser D₂ des in der ersten Zone gebildeten Kegels etwa 0,1 bis 1 mm beträgt.

8. Vorrichtung zur Herstellung von Fasern aus einem unter Wärme erweichenden Material mit mindestens einer an einem Schmelzetiegel angeordneten Ausflußdüse und mindestens 3, die Ausflußdüse umgebenden Gasslrahldüsen, die geneigt und tangential zur Achse der Ausflußdüse verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflußdüse (8)

ic einen Durchmesser von 0,5— 10 mm hat, die Gasstrahldüsen (10) mit einem Winkel von 20—70°, vorzugsweise von 35—55°, gegen die Mittelachse der Ausflußdüse (8) geneigt sind, die Mittelachsen der Gasstrahldüsen (10) in einem Abstand von

'- 0,1 — 1 mm an der Mittelachse der Ausflußdüse (8) unter Bildung eines Fokuspunktes (14) vorbeilaufen, und daß der Abstand zwischen dem Auslaß der Ausflußdüse (8) und dem Fokuspunkt (14) das 0,2- bis 10-fache des Durchmessers der Ausflußdüse (8) beträgt

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen der Gasstrahldüsen (10) längs eines die Ausflußdüse (8) umgebenden Kreises in einem gegenseitigen Winkelabstand

-■"■ angeordnet sind, der bei Verwendung von 3 Gasstrahldüsen (10) gleich ist und bei Verwendung von 4 oder 6 Gasstrahldüsen (10) abwechselnd einen hohen und niederen Wert hat, von denen der hohe Wert zwischen 95 und 135° liegt.

^Jo

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und

9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasstrahldüsen

(10) eine Länge haben, die mindestens fünf mal so groß wie der Durchmesser der Gasstrahldüsen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausflußdüsen (8) in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, bei welchem nach dem Ziehen eines Kreises (9) mit einem Radius von 10 mm urn den Mittelpunkt einer jeden Ausflußdüse (8) eine Überiappung der Kreise

¹⁽¹ (9) auftritt.