DE2652690A1

DE2652690A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von fadenfoermigen kapillaren

Info

Publication number: DE2652690A1
Application number: DE19762652690
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dietzsch; Otto Dietzsch
Original assignee: Sandwich-Profil GmbH
Current assignee: Okalux Kapillarglas 8772 Marktheidenfeld De GmbH
Priority date: 1976-11-19
Filing date: 1976-11-19
Publication date: 1978-05-24

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von fadellförmigen Kapillaren Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtuna zum Herstellen von fadenförmigen Kanillaren, insbesondere mit einem Durchmesser kleiner 2ooopim und einem Verhältnis von Wandstärke zu Durchmesser von kleiner 1:6.
Eine industrielle Herstellung von Kapillaren mit den oben beschriebenen Eigenschaften aus anorganischen, schmelzfShigen Materialien, beispielsweise Siliziumverbindungen wie Glas, Quarz oder Bortrioxid, war hisher nicht möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung in Vorschlag zu bringen, welche die Herstellung von derartigen fadenfn..rmigen Kapillaren gestatten bei denen der Kapillarenquerschnitt ein extrem kleines Verhältnis von Wandstärke zu Aussendurchmesser aufweist und das Lumen der Kapillaren extrem zentrisch im Querschnitt angeordnet ist. Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfinduncsvemrisse Vorrichtung sollen des weiteren die Herstellung von im Ouerschnitt kreisringförmig ausgestalteten Kapillaren gestatten, die insbesondere bei einem Verhältnis Wandstärke : Aussendurchmesser kleiner als 1:6 und einem Aussendurchmesser kleiner als 2000 jim für eine Verwendung als Hohlfasern in Verbundwerkstoffen besonders geeignet sind. Die Erfindung bezweckt des weiteren eine Herstellung von fadenförmiqen Kapillaren mit homogener Wandstärke. Sie soll es schliesslich ermöalichen, das Verhältnis zwischen der Wandstrke und dem Durchmesser der Kapillaren in weitem Umfang zu variieren, damit man Kapillaren mit definierten Elastizitäts-, Biese-und Beuleigenschaften erhält, die bei einer Einbettung der Kapillaren in eine Matrix an deren Eigenschaften genau anpassbar sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Aufschmelzen des Werkstoffs, Anlegen eines Förderdrucks an den aufgeschmolzenen Werkstoff und Auspressen desselhen durch einen freien ringförmigen Spinnspalt in laminarer Strömung unter gleichzeitigem Einbringen eines unter Druck stehenden Füllgases in den von dem Spinnspalt ausgehenden Schlauch aus aufgeschmolzenem Werkstoff, wobei das Einbringen des Füllgases von dem Innen gebiet des ringförmigen Spinnspalts aus in einer derartigen Menge geschieht, dass das Füllgas das erwünschte Lumen des Schlauches formt und ausfüllt, und Abziehen des Schlauches unter Verjüngung seines Aussendurchmessers und seiner Wandungsstärke sowie Abkühlen des Schlauches zur Bildung einer Kapillare.
Es ist besonders zweckmässig, mit extrem niedrigen Spinntemperaturen bei extrem hohen Spinndrücken zu arheiten, weil sich hierbei der Schlauch aus aufgeschmolzenem Werkstoff durch das Füllgas gut aufweiten l<9sst und eine qenaue Zentrierung des Lumens in der Kapillare möglich ist.
Es wird hierbei angestrebt, den aufgeschmolzenen Werkstoff in einem Zustand durch den Spinnspalt zu drücken, bei der er eine extrem hohe Viskosität und geringe Oberflachenspannung aufweist Diese Verfahrensffihrung steht im Geaensatz zu der Herstellung von Voliglasfasern im Spinnverfahren, bei der mit sehr hohen Temperaturen und niedrigen ViskositX-ten jedoch bei einer sehr hohen Oberflächenspannung gearbeitet wird.
Das Erhitzen und Aufschmelzen des Werkstoffs zu der zu verarbeitenden Spinnschmelze, dh. das erhitzen der Spinndüse und der zu ihr führenden Speisersiume sowie des Fiillqases, wird in bekannter Weise durchgeführt, wozu eine IR-Bestrahlung besonders günstig ist, die vorzugsweise innerhalb eines wärmeisolierten Raumes durchgeführt wird.
Als Werkstoff für die Herstellung der Kapillaren wird vorzugsweise eine Siliziumverbindung wie Glas, quarz oder Bortrioxid verwendet. Als besonders geeigneter Werkstoff hat sich E-Glas erwiesen, das bei einer Spinntemperatur von etwa 1020°C bis etwa 1080°C an dem Spinnspalt verarbeitet wird.
Der Förderdruck auf die Spinnschmelze kann durch Beaufschlagung derselben mittels eines Druckgases bewirkt werden und/oder durch eine entsprechend grosse Füllhöhe der Spinnschmelze in ihrem Zuführungs- oder Schmelzraum, dh. durch den hydrostatischen Druck derselben.
Der aufzuschmelzende Werkstoff - beispielsweise Glas - wird bevorzugt in diskreten StÜcken der Aufschmelzzone zugegeben, vorzugsweise in Form von Kuaeln, Stabstücken etc., die bei Verwendung eines Druckgases zur Erzielung des Förder- und Spinndrucks ebenfalls von dem Druckgas heaufschlaot sein können Die Zuführung kann hierhei vollautomatisch über eine Druckschleuse bewirkt werden. Es ist jedoch auch mealich, im kalten, jedoch bereits unter Druck stehenden Bereich oberhalb der Aufschmelzzone eine arosse Menge von nicht aufgeschmolzenem Rohmaterial zu stanel, von der laufend entnommen und in die Aufschmelzzone dosiert eingegeben wird.
Als zweckmässia haben sich Spinndricke von loo ooo Pa und darüber verwiesen, die bis zu etwa 2 x 10 Pa reichen können, um die Spinnschmelze in den verteilerraum einer Spinndüse und durch den Spinnspalt zu ferdern. Bevorzugt werden Spinndrücke in einem Bereich von etwa 300 ooo Pa bis etwa 600 000 @a verwendet.
Zweckmässigerweise erfährt das Füllgas vor seinem Austritt in dem vom Spinnspalt ausgehenden Schlauch aus dem jeweiligen noch flüssigen Material einen Druckabfall, der vorzuasweise zumindest die Hälfte des vom flüssigen Schlauch kurz unterhalt des Spinnspalts bewirkten Rückdrucks auf das Füllgas ist. Diese Maßnahme dient zur Erzielung eines gleichmässigen Querschnitts der gesponnenen Kanillare, da durch sie Pulsationen des Querschnitts während des Spinnnrozesses vermieden werden. Die geforderte Druckdifferenz lässt sich dadurch erzielen, dass die Zuführungsleitung des Füllgases vor ihrem Austritt im Bereich des Spinnspalts auf einen relativ geringen Ouerschnitt verengt oder mit röhrchen- oder drahtförmigen Widerstandskörnern gefüllt wird. Die Druckbeaufschlagung des Füllgases erfolgt zweckmässigerweise mit etwa 300 Pa bis etwa 1o.ooo Pa, bevorzugt etwa 1000 Pa bis etwa 5000 Pa, was von dem verarbeiteten Material, der jeweiligen Temperatur, dem Förderdruck, der Abzugsgeschwindigkeit für die fertigen Kapillaren, den Dimensionen des SpJnnspalts und dem erwünschten Verhältnis von Durchmesserverdüngung : Wandstärkenverjüngung abhängt. Das zuletztgenannte Verhältnis liegt zweckmässigerweise in einem Bereich von etwa 1:1,5 bis etwa 1:2o, vorzuasweise in einem Bereich von etwa 1:2 bis etwa 1:8. Als Durchmesserverjüngung wird hierbei das Verhältnis zwischen Spinnssalt-Aussendurchmesser und raser-Aussendurchmesser, als Wandstärkenverjüngung das Verhältnis zwischen Spinnspaltbreite und Faserwandstärke bezeichnet.
Es ist wichtig, bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dafür zu sorgen, dass das unter Druck stehende Füllgas in einer Menge und mit einem Druck zugeaehen wird, dass es für die Erzeugung des Lumens der Kanillare gegen die Oberflächenspannung des kurz nach dem Spinnspalt noch flüssigen Schlauches Arbeit leistet und zusetzlich Enerqie auf den Schlauch überträgt, indem es die Schlauchwand w,>hrend des Verspinnungsvorganges aufweitet und radial verstreckt.
ZweckmEissigerweise wird das Verfahren zumindest bis zum Abziehen des Schlauches unter einer erhitzten Schutzgasatmosphäre durchgeführt, um die Bauelemente gegen Ox@dation zu schützen. Auch die von der Glasschrelze nicht oder zeitweilig nicht bedeckten Flächen im Innern der Apparatur wurden vorteilhaft geschützt, indem man als Druckgas für die Erzeugung des Förderdrucks und/oder als Füllgas ein Schutzgas verwendet. Als Schutzgas kommen zB Stickstoff, Argon, Wasserstoff oder dergleichen infrage. Auch wenn das ber dem Aufschmelzraum befindliche Gas nicht als Druckgas zur Erzielung des Förderdrucks verwendet wird, empfiehlt es sich, dort ein Schutzgas zu verwenden, um Oxvdationsschäden zu vermeiden.
Es ist günstig, wenn dem aus dem Spinnspalt austretenden Schlauch. zumindest auf einer Länge- von 1 cm, bevorzugt etwa 1 cm bis etwa 1o cm, von aussen Warme zugeführt wird, um ein wirksames Aufweiten und Verstrecken des Schlauches vor dessen Verfestigung sicherzustellen.
Die Temperatur und/oder der Förderdruck und/oder der Füllgasdruck und/oder die Abzugsgeschwindigkeit und damit der Durchmesser und das Verhältnis von Wandungsstärke zum Durchmesser der Kapillare lassen sich iiker die Frmittluna der Durchmesseränderung regeln, die der Spinnkegel in Abhängigkeit von seiner Entfernung vom Spinnspalt erfährt.
Das Auspressen des Schlauches aus dem Spinnspalt und das Abziehen desselben erfolgt vorzugsweise vertikal nach unten, dh. in eine Richtung, in der die Schwerkraft nicht zu einseitigen Verformungen führt, sondern vielmehr den Vorgang hegünstige, Für die Verwendung der erzeugten Kanillaren in lrerbundwerkstoffen ist es besonders gÜnstig, wenn bei dem Schlauch das Verhältnis Durchmesserverjüngung : Wandstärkenverjüngung kleiner oder gleich 1:2 gehalten wird.
Die Verfahrensführung gestaltet sich besonders günstig, wenn der aufgeschmolzene Werkstoff vor seinem Austritt aus dem Spinnspalt durch einen Speiseraum mit üherwiegend statischem Druckaufbau geleitet wird und in dem Speiseraum einen gedrungenen Verdrängungskörper umströmt der mit seinem unteren freien Ende die innere Begrenzung des Spinnspalts bildet, und wenn das Füllgas durch den Verdrängungskörper zugeführt wird. Der Speiseraum mit überwiegend statisches Druckaufbau wird vorzugsweise von einem Speiseraum mit überwiegend kinematischem Druckaufbau gespeist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Herstellen von fadenförmigen Kapillaren aus schmelzfähigen Werkstoffen, insbe sondere nach dem erfindungsgemässen Verfahren, ist gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung, welche die zum Aufschmelzen des Werkstoffs notwendige Wärme liefert, durch eine Schmelzkammer zum Aufschmelzen des Werkstoffs, durch zumindest eine von dem in der Schmelzkammer aufgeschmolzenen Werkstoff beaufschlagte Spinndiise, in deren Diisenöffnung ein mit einer Durchgangshohrung versehener 7erdrängungskörper ragt, durch eine Vorrichtung, welche die genannte Durchgangsbohrung mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt, und durch eine Abzugsvorrichtung zum Abziehen der von der jeweiligen Düsenöffnung ausgehenden Kapillare.
Gemäss einer besonders vorteilhaften Ausführungsfbrm der erfindungsgemässen Vorrichtung enthält die Spinndüse zumindest einen mit einer Zuführung für den aufzuschmelzenden Werkstoff versehenen Verteilerraum, in dessen unter seite zumindest eine Düsenöffnung mSindet, wobei für jede Düsenöffnung ein Verdrängungskörper vorgesehen ist, der über der Düsenöffnung von oben den Verteilerraum freitragend durchsetzt und mit seinem freien Ende in die Düsenöffnung derart hineinragt1 dass ein durchlaufender ringförmiqer Spinnspalt zwischen der Düsenöffnung und ihm entsteht, wobei des -weiteren die Durchgangsbohrung in jedem VerdrSngungskörper an der Unterseite desselben innerhalb des genannten ringförmigen Spinnspalts mündet. Der Spinnspalt ist vor zugsweise kreiszylindrisch. Diese Ausbildung der Spinndüse gewährleistet eine gleichmässige Zufuhr der Spinnschmelze zum Spinnspalt und ein gleichmässiges Austreten durch denselben; was eine Voraussetzung dafür ist, dass der Schlauch durch das Füllgas und das Abziehen derart aufgeweitet und gestreckt werden kann, dass man bei dem erwünschten Aussendurchmesser das erwünschte Verhältnis zwischen der Wandstärke; und dem Aussendurchmesser der Kapillare erhält.
Durch die Formgebung und Anordnung des Verdrängungskörpers wird insbesondere erreicht, dass der ringENrmige Spinnspalt trotz des hohen Durchsatzes des unter einem hohen Druck stehenden aufgeschmolzenen Werkstoffs und trotz der hohen Temperaturen und der durch das Einblasen des Füllgases, erzeugten Kräfte über den gesamten Ringbereich konstant bleibt und somit Einen Schlauch mit exakt zentrischem Lumen und gleichmässiger Wandungsstärke bildet.
Es ist günstig, wenn der Verdrä.ngungskörper und/oder der Verteilerraum zumindest in der Umgehung jedes Verdrängungskörpers rotationssvmmetrisch zur Längsachse der Düsenöffnung ausgebildet ist. Hiermit wird erreicht, dass der Spinnspalt aus allen Richtungen aleichmässig angeströmt wird. Besonders günstig ist eine Ausgestaltung des Spinnspalts, bei der dieser über seinen gesamten ringförmigen Verlauf und in Spinnrichtung über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt aufweist. Die Länge des Spinnspalts in Spinnrichtung liegt vorzugsweise in der Gressenordnung des Durchmessers der Düsenöffnung.
Eine grosse Stabilität der Verdrängungskörper wird erzielt, wenn diese eine gedrungene kegelartige Gestalt aufweisen und wenn ihr Durchmesser an ihrer Basis - an deren Einmündung in die Oberseite des Verteilerraums - grdsser ist als ihre von dieser Stelle aus gerechnete Längserstreckung bis zu ihren freien Enden.
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung ist der jeweilige Verdrängungskörper mit seiner Basis dichtend in die Oberseite des Düsenkörpers eingesetzt. Die dichtende Verbindung des Verdrängungskörpers mit dem Düsenkörper erfolgt folgt über eine Berührungszone und kann durch ousseren Pruck auf den Verdrängungskörper, durch Verschrauben, durch Verlöten oder durch Verschweissen hergestellt werden. In der Berührungszone können Düsenkörper und Verdrängungskörper direkt aufeinander auf liegen. Es ist jedoch auch möglich, in die Berührungszone eine Dichtung einzulegen. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bildet der jeweilige VerdrAngungskörper mit seiner Basis den oberen Teil des DUsenkörpers. Auf jeden Fall ist es wichtig, dass die Verdrängungskörper lediglich an ihrer Basis, mit dem Dßsenkdrper verbunden sind und dass sie sich lediglich über ihre dortigen Berührungszonen am Düsenkörper abstützen, dass jedoch keine weiteren Stützstellen oder Verstrebungen zwischen den Verdrängungskörpern und der Wandung des Verteilerraumes oder der Düsenöffnung stehen, welche eine Inhomogenität in der Strömung des aufgeschmolzenen Werkstoffs bei dessen Durchtritt durch den jeweiligen Spinnsnalt bewirken könnten.
Für die Herstellung der fadenförmigen Kapillaren sind Spinndüsen besonders aiinstig, bei denen die A@wicklung der Berührungszone zwischen Düsenkörper und Verdrängungskörper an der Begrenzung des Verteilerraumes grösser ist als die zweieinhalbfache Abwicklung der Mitte des Spinnspalts.
Des weiteren ist es günstig, wenn die Abwickluna der Berührungszone zwischen Düsenkörner und Verdrängungskörper an der Begrenzung des Verteilerraumes gleich oder grösser dem Abstand zwischen dieser Stelle und der Düsenöffnung ist.
Der Verteilerraum ist mit Vorteil so ausgestaltet, dass in ihm vorwiegend ein statischer, dh. örtlich konstanter Druckaufbau herrscht, wenn er von einem unter Druck stehenden aufgeschmolzenen Werkstoff beaufschlagt ist Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Zuführung für den aufgeschmolzenen Werkstoff in den jeweiligen Verteilerraum durch zumindest, zwei symmetrisch zur Längsachse der Diisenöffnung mündende Einlässe erfolgt. Die Einlässe sind bevorzugt längs zumindest eines Kreises angeordnet, durch dessen Mitte die Längsachse der Düsenöffnung hindurchgeht Die gegebenenf alls in einer größeren Anzahl vorgesehenen Einlässe münden oemXss einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung an dem äussersten und/oder obersten Bereich des jeweiligen Verteilerraums, so dass ein möglichst grosser Strömungsweg von den Einlässen bis zu der Spinnspaltöffnung entsteht und Unregelmässigkeiten in der Strömung des aufgeschmolzenen Materials ausgeglichen werden welche auf der Zuführung über die voneinandcr getrennten diskreten Einlässe heruhen.
Zweckmässigerweise ist im wesentlichen über dem zumindest einen Verteilerraum ein Vorverteilerraum angebracht, der mit dem jeweiligen Verteilerraum silber Kanäle verbunden ist und mit dem aufgeschmolzenen Werkstoff über eine m allgemeinen asymmetrisch zu dem Spinnspalt gelegene Zuführung beschickt werden kann. In dem Vorverteilerraum herrscht somit ein asymmetrischer Druckaufbau. Es ist besonders günstig, wenn jedem Verteilerraum ein eigener Vorverteilerraum zugeordnet ist. Die durch die asvmmetrische Zuführung des aufgeschmolzenen Materials in dem Vorverteilerraum entstehenden Strömungs- und Druckinhomogenitäten werden zweckmässigerweise dadurch ausgeglichen, dass die zu dem Verteil lerraum führenden Kanäle den Gesamt-Strömungswiderstand erhöhen, was vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass die Summe der minimalen Strömungs@uerschnitte der zu dem Verteilers raum führenden Kanäle und Einlässe kleiner ist als der minimale zu dem Vorverteilerraum führende Strömungs@uerschnitt.
Indem der Vorverteilerraum bezüglich seines Volumens erheblich grösser gestaltet wird als der eigentliche Verteilerraum, wirkt dieser als Kapazität für einen zusätzlichen Ausgleich von Druck- und SUömungsinhomogenitäten Die Durchführung der vorbeschriebenen Maßnahmen gestattet es den eigentlichen Verteilerraum klein zu gestalten, wobei die Höhe zwischen den Auslässen im Verteilerraum und der Oberkante der entsprechenden Düsenöffnung vorzugsweise das in- bis Dreifache des Spinnspaltdurchmesser beträgt Es ist besonders zweckmässig, wenn eine Filtereinrichtung in der Spinndüse vorgesehen ist, welche bevorzugt die Einlässe zu den Kanälen abdeckt oder in den Kanälen angebracht ist.
Bei einer besonders praktischen Ausqestaltung der Spinndüse bildet der Verdrängungskörper zumindest den Boden des Vorverteilerraums, wobei durch diesen die in den Verteilerraum fiihrenden Kanäle hindurchlaufen.
Es ist günstig, wenn der Verdrängungskorrer an seiner der Düsenöffnung abgekehrten Seite aus der Spinndüse hinausgeführt ist und wenn dort das eine Ende der Durchgangsbohrung mündet, an dem eine quelle für ein unter Druck stehendes Gas angeschlossen ist. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass die Berührungszone zwischen der Basis des Verdrängungskörpers und dem Diisenkorper zwischen dem Verteilerraum und der Aussenatmosphere angeordnet ist und nicht an Räume angrenzt, in denen das unter Druck stehende Füllgas geführt wird.
Bei einer Spinndüse, die eine Vielzahl von in einem Düsenkörper angebrachten Düsenöffnung und in diese ragende Verdrängungskörper enthält, ist zweckmässigerweise jedem Verdrängungskörper individuell ein rohrförmiger Fiillgasstutzen zugeordnet, der an seiner der Düsenöffnung abgewandten Seite an eine Verteilerleitung oder an einen Verteilerraum für das unter Druck stehende Füllgas angeschlossen ist.
Zur Vermeidung von Pulsationen im nuerschnitt der erzeugten Kapillaren während des Spinnprozesses wird die Durchgangsbohrung in dem rerdrängungskörper derart ausgebildet, dass ein durch sie gefedertes Füllgas einen Druckabfall erfährt, der zumindest gleich der Hälfte des vom flüssigen Schlauch kurz unterhalb der Spinndüse bewirkten Rückdrucks auf das Füllgas ist. Dies kann durch eine Querschnittsverringerung der Durchgangsbohrung oder durch ein Einbringen von Widerstandselementen in die Durchgangsbohrung oder vor diese erfolgen.
Zwischen der Schmelzkammer, in welcher der Werkstoff für die Kapillaren aufcreschmolzen wird, und der Spinndiise ist vorzugsweise ein Zuführungsraum vorcresehen, der einen Vorrat der Spinnschmelze - :f-hmen kann und bei geeigneter Formgestaltung und Lage zur Spinndüse durch den in ihm befindlichen aufgeschmolzenen Werkstoff einen hvdrostatischen Druck am Spinnspalt erzeugt. Der unmittelhar an die Aufschmelzzone für den Werkstoff anschliessende Zuführungsraum kann auf tieferen Temperaturen gehalten werden als die Spinndüse, wenn in ihm der Strömungsquerschnitt für den aufgeschmolzenen Werkstoff grösser ist als in der Spinndüse selbst, so dass in dem Zuführungsraum noch wesentlich höhere Viskositäten für die Spinnschmelze als im Diisenbereich ohne wesentlichte Verringerung der Fördergeschwindigkeit anwendbar sind.
Es ist ferner günstig, wenn die erfindungsgemässe Vorrichtung einen Vorratsraum für den noch nicht aufcteschmolzenen Werkstoff und eine Dosiervorrichtung enthält, welche den Werkstoff von dem Vorratsraum der Schmelzkammer zuführt.
Wenn der Förderdruck von einem Druckgas erzeugt werden soll, sind die Schmelzkammer und/oder der Vorratsraum und/oder die Dosiervorrichtung als gasdichte Druckbehälter ausgebildet, so dass sie, der aufgeschmolzene Werkstoff und der in der Vorratskammer befindliche noch "kalte" Werkstoff- aemeinsam von einer daran angeschlossenen Druckgasquelle mit Druckgas beaufschlagbar sind. Für ein weiteres Nachfüllen des Werkstoffs in den Vorratsbehälter empfiehlt sich das Anbringen einer Druckschleuse, um kontinuierlich arbeiten zu können.
Für die Beheizung der Schmelzkammer, des Zuführungsraums und der Spinndüse, sowie gegebenenfalls des ersten Stücks des aus der Spinndüse austretenden Schlauches aus aufgeschmolzenem Werkstoff, sind IR-Strahler besonders geeignet. Diese IR-Strahler sind mit den von ihnen auf zuheizenden Bauelementen und dem darin befindlichen Werkstoff für die Kapillaren vorzugsweise in einem wärmeisolierten Raum angeordnet.
Der wärmeisolierte Raum ist mit Vorteil gasdicht ausgebildet und lediglich am untersten Ende fijr den Austritt der jeweils gen Spinnfäden mit kleinen Durchtrittsöffnungen versehen Uber eine mit einer Gasquelle verbundene Zuführung wird der wärmeisolierte Raum fortwährend mit einem unter Überdruck stehenden Schutzgas beschickt, so dass geringe Mengen dieses Schutzgases mit den Spinnfäden aus den für sie vorgesehenen Nffnungen abfliessen. Durch die Anordnung der untersten öffnung der Spinndüse innerhalb des wärmeisolierten Raumes wird der von dem Spinnspalt austretende Schlauch auf eine Länge von mindestens 1 cm, bevorzugt 1 cm bis lo cm, von aussen erwärmt.
Als Werkstoff für die Spinndüse, den Verdrängungskörper und die Füllgaszuführung kann Metall verwendet sein (zb Chrom Nickel-Stahl, V4A-Stahl, Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen, Platenlegierungen etc.) aber auch Keramik (zB Metalloxidkeramik, insbesondere Aluminiumoxidkeramik) Es ist auch möglich, eine Kombination von mehreren Werkstoffarten zu verwenden, beispielsweise Oxidkeramikwerkstoffe mit Überzügen oder Ausmantelungen aus Edelmetallschichten.
Zumindest die mit dem aufgeschmolzenen Werkstoff in Verbindung tretenden Bauelemente und/oder die Füllgaszuführung sollten aus einem derartigen korrosionsfesten Material bestehen oder mit einer Schicht eines entsprechenden Materials überzogen sein Für die von dem aufgeschmolzenen Werkstoff nicht oder zeitweise nicht bedeckten Flachen der Spinndse, der Aufschmel7-kammer und/oder des Zuführungsraumes und/oder für die Zuführung für das Füllgas emnfiehlt sich die Beaufschlagung mit einem Schutzgas, um diese gegen Oxydation zu schützen.
Die Abzugsvorrichtung, vorzuasweise eine Speichertrommel, ist zweckmässigerweise in einem Raum angeordnete dessen Atmosphäre extrem trocken gehalten ist. Dieser Raum weist vorteilhafterweise eine erhöhte Temperatur, beispielsweise 40°C, auf.
Die beiliegende Zeichnung dient zur weiteren Erlauterung der Erfindung. Die Figuren sind der Übersicht halber nicht maßstäblich gezeichnet.
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Herstellung von fadenförmigen Kapillaren; Figur 2 zelat einen Längsschnitt durch eine Variante einer Spinndüse; Figur 3 zeigt einen L=ingsschnitt durch eine weitere Variante der Spinndüse; Figur 4 zeigt einen Schnitt dadurch Fig.3 längs der Linie III-III; Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Variante einer Spinndüsen Figur 6 zeigt im fl,uerschnitt einen Spinnspaitbereich mit einer linear gestaffelten Anordnung aus mehreren Spinndüsen; Figur 7 zeigt im Querschnitt einen Spinnspaltbereich mit einer kreisförmia,en Anordnung mehrerer Spinndüsen.
in allen Figuren sind gleiche Teile mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von fadenförmigen Kapillaren enthalt einen Vorratsraum 1 und eine darunter hefindiche Schmelzkammer 2, zwischen denen eine Dosiervorrichtung 3 anbeordnet ist, welche dazu dient, in dem Vorratsraum 1 befindliche Kugeln 4 des aufzuschmelzenden Werkstoffs dosiert der Schmelzkammer 2 zuzuführen. Der Vorratsraum 1 besteht aus einem trichterförmigen Unterteil 5 und einem mit diesem gasdicht verbundenen abnehmbaren Deckel 6, anstelle dessen eine in der Zeichnung nicht dargestellte Druckschleuse zur Befüllung des Vorratsraums vorgesehen sein kann. In den Vorratsraum 1 mündet eine Zuführung 7 für ein Druckgas D, das von einer lediglich schematisch dargestellten Druckaasquelle 8 zugeführt wird. Der Vorratsraum 1 mündet über ein vertikales Rohr lo in die Schmelzkammer 2. Seitlich an dem vertikalen Rohr 10 sind in-Langsrichtuna desselben verschoben zwei Hubmagnete 11 und 12 angebracht, deren in das Rohr 1o vorstehende Finger 13 und 14 so qesteuert sind, dass jewells einzelne Kugeln 4 des Werkstoffs in die Schmelzkaminer 2 fallen können. Auch die Hubmagnet 11 und 12 sind gasdicht an der Apparatur befestigt, so dass das dem Vorratsraum 1 zugeführte Druckgas D huber die Dosiervorrichtung den in der Schmelzkammer 2 aufqeschmolzenen Werkstoff 4' einem Förderdruck aussetzen kann.
Die Höhe des Niveaus, mit dem der aufgeschmolzene Werkstoff, 4' die Schmelzkammer 2 füllt, wird mittels einer Vorrichtung 14a ermittelt, die beispielsweise nach dem Prinzip des Echolots arbeitet. Durch die Vorrichtung 14a und die von dieser in nicht näher dargestellter Weise gesteuerten Hubmagnete 11 und 12 lässt sich erreichen, dass das aufgeschmolzene Material 4' in der Schmelzkammer 2 jeweils gleich weit hinaufreicht und damit einen annähernd konstanten hydrostatischen Druck auf die über einen Zuführungsraum 15 mit der Schmelzkammer 2 verhundene Spinndüse 16 ausübt. Wenn die Schmelzkammer und der Zuführungsraum eine beträchtliche Höhe aufweisen, kann der hydrostatische Druck des aufgeschmolzenen Werkstoffs 4a einen Förderdruck an der Spinndüse 16 hilfen ; der für das Auspressen der erwiinschten fadenförmigen Kapillaren ausreicht, so dass in diesem Fall die Zuführung eines Druckgases D nicht notwendig ist. Da es sich jedoch zur vermeidung von Oxvdationen in jedem Fall empfiehtl, den Vorratsraum 1, die Dosiervorrichtung 3 und die Schmelzkammer 2 mit einem Schutzgas zu beaufschlagen, ist es in der Regel vorzuziehen, den an der Spinndüse 16 henötigten Förderdruck zumindest teilweise durch das Druckgas D zu erzeugen.
Die Spinndüse 16 besteht aus einem Diisenkörner 17, der in seinem Innern einen kammerartigen Verteilerraum 18 enth#lt, in den der aufgeschmolzene Werkstoff 4' durch eine Zuführung 19 einströmt. Die Zuführung ist als Bohrung mit grossem Durchmesser seitlich aus dem Düsenkörper 17 hinausgeführt und an den Verteilerraum 15 angeschlossen, was in dem in Figur 1 dargestellten Fall beispielsweise mittels einer Schweissnaht 20 geschieht. Der freie Strömungsquerschnitt ist in dem Zuführungsraum 15 grösser gewählt als in der Spinndüse 16. Die Spinndüse 16 enthält des weiteren an ihrer Unterseite eine Düsenöffnung 21, im dargestellten Fall eine kreiszylindrische, senkrecht zur Unterfläche des Düsenkörpers 17 verlaufende Bohrung, welche in den Verteilerraum 18 derart einmündet, dass der frerteilerraum annähernd symmetrisch zur Längsachse der Düsenöffnung 21 liegt.
In die Oberseite des Düsenkörpers 17 ist ein Verdrängungskörper 22 derart eingesetzt, dass seine Längsachse mit der Achse der Düsenöffnung 21 fluchtet. Der Verdrängunaskörper 22 stützt sich mit seiner Basis 23 iiber eine sich konisch verjüngende Berührungszone 24 an einer entsrDrechenden konischen Fläche des Düsenkörpers 17 ah. Die Flachen im Bereich der Berührungszone 24 sind derart bearbeitet; dass der Verdrängungskörper 22 dicht und unverrrckbar in den Düsenkörper 17 si.tztO Der Verdrängungskörper 22 hat im Bereich des Verteilerraums 18 eine konusartige aedrungene Gestalt. Seine Querschnittsfläche nimmt von der der Basis 23 zugekehrten Seite ah in Richtung auf die Düsenöffnuna 21, in welche das freie Ende 25 des Verdrängungskörpers, das mit einer kreis zylindrischen Aussenfläche versehen ist, derart hineinragt, dass zwischen dieser Aussenflache und der Düsenöffnung 21 ein gleichm;issiaer ringförmiger Spinnspalt 26 entsteht, durch den der aufgeschmolzene Werkstoff als Schlauch 4 mit gleichmassiger Wandungsstärke ausgepresst wird. Der Verdrängungskörper 22 trägt an seinem oberen Ende einen Rohrstutzen 27, der an eine Zuführungsleitung 28 angeschlossen ist, welche von einer Füllgasguelle 29 über einen Verteilerraum 30, der ein Anschliessen von weiteren Verdrängungskörpern und weiteren Spinndüsen ermöglicht, mit einem unter Druck stehenden Füllgas F beaufschlagt wird Die Bohrung des Rohrstutzens 27 verjüngt sich im Innern des Verdrängungskörpers 22 zu einer Durchgangsbohrung 31, die zentrisch in Richtung der Längsachse des Verdrängungskörpers durch diesen hindurchläuft und in der Mitte des freien Endes 25 des Verdrängungskörpers mündet. Der reduzierte Querschnitt der Durchgangsbohrung 31 bewirkt eine hohe Druckdifferenz für das Füllgas F zwischen dem Stutzen 27 und der Austrittsöffnung im Innern des Spinnspalts 26. Es ist auch möglich, wie durch das Bezugszeichen 32 angedeutet, zusatzliche Widerstandskörper in der Durchgangsbohrung 31 oder gegebenenfalls auch in dem Rohrstutzen anzubringen; um den Druckabfall weiter zu erhöhen. Der durch den Spinnspalt 26 ausgepresste Schlauch 4" wird durch das Füllgas F ausgefüllt und in seiner Form stabil gehalten Unter der Spinndüse 16 ist eine Abzugsvorrichtung 33 angebracht, die im dargestellten Fall von einer sich in Richtung des Pfeils 34 drehenden Speichertrommel gebildet ist, welche die fertige fadenformige Kapillare 4111 aufwickelt.
Die Beheizung der Vorrichtung erfolgt mittels IR-Strahlern 35, welche so um die Schmelzkammer ! den Zuführungsraum 15, die Spinndüse 16 mit dem Verdrängungskörper 22 und den mit diesem verbundenen Rohrstutzen 27 angeordnet sind, dass sie diese auf die erwünschte Temperatur erwärmen. Da in der Schmelzkammer 2 und in dem Zuführungsraum 15 orössere Strömungsquerschnitte herrschen als in der Sninndiise 16, kann die Temperatur in der Schmelzkammer und in dem Zuführungsraum niedriger gehalten werden, als sie für den eigentlichen Spinnvorgang in der Spinndüse 16 notwendig ist, da die erhöhte Viskosität der Spinnschmelze in diesem Bereich durch die grösseren Querschnitte ausgeglichen wird.
Die Heizeinrichtung und die von ihr zu beheizenden Bauelemente sind in einer wärmeisolierten Kammer 36 angebracht, die von einem gasdicht ausgebildeten und mit entsnrechenden Wärmeisolationsschichten versehenen Gehäuse 37 gebildet ist. Das Gehause 37 reicht etwas unter die Spinndüse 16 hinab, so dass auch ein Stück des aus dem Spinnspalt 26 austretenden flüssigen Schlauches 4" von aufgeschmolzenem Werkstoff im Innern der wcrmeisolierten Kammer verläuft, bevor dieser durch eine unter dem Spinnspalt 26 gelegene Öffnung 38 aus der Kammer hinausgeführt wird.
In die Kammer mündet des weiteren ein Einlass 39 für ein Schutzgas S, das von einer entsprechenden Ouelle 40 unter einem geringen Uberdruck in die Kammer 36 qeleitet wird und die in dieser befindlichen Bauelemente gegen eine Oxydation schützt, wobei jeweils eine kleine Menge des Schutzgases durch die oeffnung 38 mit dem Schlauch 4" austritt.
Bei dem Betrieb der vorstehend beschriebenen Vorrichtung werden die in dem Vorratsraum 1 befindlichen Kugeln entsprechend dem Verbrauch der Spinnschmelze an dem Spinnspalt 26 stückweise der Schmelzkammer 2 zugeführt, indem auf ein Signal der Vorrichtung 44 die Hubmagnete 11 und 12 und die mit ihnen verbundenen Zungen 13 und 14 entsprechend betätigt werdeii. Der in der Schmelzkammer 2 durch die von den IR-Strahlern 35 abgegebene Wärme erhitzte und zum Schmelzen gebrachte Werkstoff wird durch den von ihm ausgeübten hydrostatischen Druck und durch das Druckgas D durch den Zuführungsraum 15 in den Verteilerraum 18 und von dort durch den Spinnspalt 26 als Schlauch 4" ausgepresst und mittels der Abzugsvorrichtung 33 ahgezogen, wobei das Lumen des Schlauchs 4" über das durch die Durchgangsbohrung 31 geförderte Füllgas F ausgefüllt und aufgeweitet wird.
Wahrend dieses Vorganges wird die Kammer 3Ç mit dem Schutzgas S beschickt, das durch die oeffnung 38 in kleinen Mengen nach aussen tritt Im folgenden sollen die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Varianten der Spinndüse beschriehen werden, die anstelle der in Figur 1 dargestellten Spinndüse 16 verwendet werden können. Bei der in Figur 2 dargestellten AusÜlhrungsform bildet ein Verdrängungskörper 42 den gesamten oberen Teil einer Spinndüse 41, deren unterer Teil aus einem topfartig ausgebildeten Düsenkörper 43 besteht. Der Verdrängungskörper 42 ist in den topfartigen Düsenkörper 43 so eingesetzt, dass sich eine breite Berührungs- und Auflagezone 44 zwischen diesen Bauelementen ergibt, die einen stufenförmigen Verlauf aufweiset, um eine gute Zentrierung der Bauelemente gegeneinander zu erreichen. Der Berührunaskörper 42, der, wie im vorstehend beschriebenen Fall, mit seinem freien Ende zentrisch in die im. Düsenkörper angebrachte Spinnöffnung ragt und einen kreisringförmigen Spinnspalt mit dieser hildet, formt die Oberseite des Verteilerraums 18, dessen Seitenwandungen und Boden von dem Düsenkörper 43 gebildet sind. Die Zuführung des aufgeschmolzenen Werkstoffs in den Verteilerraum 18 erfolgt durch Bohrungen 45. Die Bohrungen 45 sind in aquidistanten Abständen auf einem Kreisbogen um die Längsachse des Verdrängungskörpers 42 derart angeordnet, dass sie am Rande des Verteilerkorpers 18 in dessen Oberseite s@mmetrisch zum Spinnspalt wiinden. Die Bohrungen 45 verbinden den Verteilerraum 18 mit einem daruerliegenden ringförmigen Vorverteilerraum 46, dessen Boden und Seitenwandungen ebenfalls von dem VerdrRingungskörper gebildet sind. In den Vorverteilerraum 46 miindet eine seitliche Bohrung 47, die mit dem Zuführungsraum 15 verbunden ist.
Die von dem Vorverteilerraum in den Verteilerraum führenden Bohrungen 45 haben einen erheblich geringeren Querschnitt als die Bohrung 47, über die der Vorverteilerraum mit dem aufgeschmolzenen Material gespeist wird. Sowohl der Vorverteilerraum 46 als auch der erheblich kleinere Verteilerraum 18 sind mit ihren Innenwandungen möglichst strömungsgünstig gestaltet, so dass keine toten Ecken entstehen, in denen sich das aufgeschmolzene Material nicht austauscht. Am Boden des Vorverteilerraums ist des weiteren ein Filterpaket vorgesehen, das aus einem Grobfilter 46a und einem Feinfilter 46b besteht.
Der Vorverteilerraum 46 wird durch einen ringförmigen Deckel 48 dichtend verschlossen. Bei dem in Figur 2 dargestellten Beispiel sind der Verdrängungskörper und der Düsenkörper sowie der ringförmige Deckel und der Verdrängungskorper miteinander verschweisst, was durch die Schweissnähte 49 und 50 angedeutet ist.
Bei dem Betrieb der in Figur 2 dargestellten Spinndüse wird der aufgeschmolzene Werkstoff, wie durch den Pfeil 51 angedeutet, unter Druck durch den sufiihrungsraum ,5 und die Bohrung 47 in den Vorverteilerraum 46 eingebracht, von wo er symmetrisch zum Sninnspalt und dem in den Verteilerraum 18 frei vorstehenden Teil des Verdr(9ngungskörpers 42 in den Verteilerraum 18 strömt, wie dies durch die Pfeile 45' angedeutet ist. Aus dem Verteilerraum 18 tritt der aufgeschmolzene Werkstoff 4" anschliessend wie bei dem vorstehend heschriebenen Beispiel durch den Spinnspalt 26 aus, wie dies durch die entsprechenden Pfeile angedeutet ist. Die Düse der Figur 2 hat den Vorteil, dass in dem Verteilerraum eine bezüglich des Spinnspalts symmetrische Druck- und Strömungsverteilung herrscht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die fertige Kapillare auch nach einem Aufweiten und Strecken durch die Abziehvorrichtung und das über dem Rohrstutzen 27 und die Durchgangsbohrung 31 zugeftihrte Fiillgas F eine gleichmässige Wandung erhält.
Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere XusffShrungsform einer Spinndüse 51, die mit Ausnahme der im folgenden beschriebenen Unterschiede entsnrechend ausgebildet ist wie die Spinndüse 16 der Figur 1. In den Diisenkörrer 17 der Spinndüse 51 ist durch eine von ihrer Oberseite ausgehende kreiszylindrische Bohrung 52 ein Verdrängungskörper 53 eingesetzt. Der Verdrängungskörper ruht über seine ringwulstartige Basis 54 auf der Oberseite des Düsenkörpers 17, wobei er sich an dieser über einen dazwischenqelegten Dichtungsring 55 abstützt. Der feste Sitz zwischen dem nfisenkörper und dem Verdrngungskörper kann zur hesseren Dlchtungswirkung durch eine Kraft in Richtung der Pfeile 56 unterstützt werden.
Die durch die Pfeile 56 angedeutete Krafteinwirkung kann durch Auflagegewichte aber auch durch ein Verschrauben zwischen dem Düsenkörper und dem Verdränqungskörper bewirkt werden.
Die Bohrung des für die Zuleitung des Füllgases F verwendet ten Rohrstutzens 27 erstreckt sich bei dem in Figur 3 dargestellten Ausfiihrungsbeispiel der Spinndüse mit aleichbleibendeIn Querschnitt in das Innere des Verdrängungskörpers 53 bis an den Bereich, an dem der Verdrängungskörper in den 57erteilerraum 18 eintritt und sich von dort in Richtung auf sein freies Ende kegelförmig verjüngt. Die sich hieran anschliessende, zu dem Spinnspalt 26 führende f)urchgangsbohrung 31 ist zur Erzielung eines Druckabfalls mit einem gegenüber dem Rohrstutzen 27 verringerten Innendurchmesser ausgebildet. Des weiteren ist vor dem Eingang in die Durchgangsbohrung 31 zur weiteren Erhöhung des Druckabfalles bei dem Füllgas F ein drahtförmiger Widerstandskörper 57 angebracht.
Die Querschnittsdarstellung von Figur 4 zeigt die rotationss@mmetrische Ausbildung des Verteilerraums 18 8 um den Verdrängungskörper 53. Auch der ringförmige Spinnsnalt 26 ist zu erkennen, der durch die Düsenöffnung 21 und die zvlindrische Aussenwandung des freien Endes 25 des Verdrängungskörpers begrenzt wird.
Tn Figur 5 ist als weitere Variante eine Spinndüse 58 aezeigt, Bei der ein Verdrängungskörper 59 an seiner Basis durch einen langen zvlindrischen Sitz 60 In dem nilsenkörper 17 gehalten wird. Eine Schweissnaht G1 bewirkt eine Fixierung der Abdichtung des Verdrängungskörpers. Der Boden des Verteilerraums 18 und die diesem zugekehrte kegelförmige Fläche des Verdrz'ngungskörners 59 sind als konkave, Flächen mit stetig ineinander übergehender Krümmung ausgebildet, wobei an der tiefsten Stelle des Verteilerraumes 18 der Spinnspalt 26 mündet.
In Figur 6 ist schematisch eine Vorrichtung dargestellt, die ein gleichzeitiges Herstellen von einer Vielzahl von fadenförmigen Kapillaren ermöglicht. Die Darstellung zeigt lediglich einen Schnitt durch eine Sninndbsenplatte 62, welche dem Boden des Spinndüsenkörpers 17 bei den zuvor beschriehenen Ausführungsformen entspricht. In der Spinndüsenplatte 62 sind linear gestaffelt Spinnspalte angeordnet, die durch in der Spinndüsenplatte angebrachte Düsenöffnungen 64 und Aussenwandungen 65 von in diese hineinragenden, mit nurchgangsbohrungen 67 versehenen Verdrngungskörpern 66 gebildet sind. Die Verdrängungskörper 66 sind wie in den vorstehend beschriebenen Beispielen in einem qemeinsamen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Verteilerraum für die Spinnschmelze angeordnet, über den den einzelnen Spinnspalten der aufgeschmolzene Werkstoff zugeführt wird.
Figur 7 zeigt eine entsprechende kreisförmige Anordnung von Spinndüsen, wobei auch hier lediglich die einzelnen Spinnspalte 68 im Querschnitt dargestellt sind. Auch diese Spinnspalte 68 sind, wie im Falle von Figur 6, durch Bohrungen 69 gebildet, die in einer gemeinsamen Spinndüsenplatte 70 angeordnet sind, wobei in jede der Bohrungen ein Verdrängungskörper 71 hineinragt, der mit einer entsprechenden Durchgangsbohrung 72 für eine Zufuhr von Füllgas versehen ist.
Beispiel: Im folgenden ist ein Beispiel für eine Herstellung von fadenförmigen Kapillaren angegeben.
In einer Spinndüse mit einem Spinnssalt-Aussendurchmesser von 3 mm, einem Spinnspalt-Innendurchmesser von 2 mm und einer Spinnspalt-Länge von 3 mm und mit einer 11 mm langen Durchgangsbohrung von 1 mm Durchresser wurde als Material E-Glas verarbeitet, ein Glas mit folgender Zusammensetzung: SiO2 53,° e B203 8,5 % Al2°3 15,o t Alkali o,5 % CaO 21,o % Das Glas wurde mit einem Spinndruck von 300 ooo Pa und einem Füllgasdruck von 1500 Pa bei einer Temperatur von 10500C am Spinnspalt versponnen und mit einer Abzugsgeschwindigkeit für die fertige Kapillare von 10 m/sec. abgezogen. Man erhielt Kapillaren mit einem Aussendurchmesser von o,100 mm und einem Innendurchmesser von o,o86 mm. Bei einem Verhältnis von Spinnspalten-Aussendurchmesser zu Faser-Aussendurchmesser von 3:0,1 = 30 und bei einem Verhältnis von Spinnspaltbreite zu Faserwandstärke von 0,5:0,007 = 71,4 ergibt sich als Verhältnis von Durchmesserverjüngung zu Wandstärkenverjüngung 30:71,4 = 1:2,38.
Als Material für die Spinndüse und den Verdrängunsskörner wurde eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung mit folgender Zusammensetzung verwendet: Aluminium 5 % Chrom 25 z Eisen Pest, die von der Firma C. Kuhbier & Sohn unter der Bezeichnung "Cekas extra 3" vertrieben wird.
Die gewichtsbezogenen Zug- und Druckfestigkeiten der erfindungsgemassen Kanillaren liegen weit her denen von Vollfasern gleichen Aussendurchmessers und qleichen Materials. Das Verhältnis der Festigkeitswerte dieser heiden Faserarten kann grösser als 10:1 sein. Da beim praktischen Einsatz eines Werkstoffes hauptsächlich gewichtshezogene Festigkeitsverhalten maßgeblich sind, resultiert daraus ein sehr wesentlicher Vorteil. Weiterhin ergibt sich eine äusserst wirtschaftliche Herstellungsweise, da pro Spinndüsenöffnung ein wesentlich höherer Materialdurchsatz bei gegebenen Festigkeitsanforderungen möglich wird. Die Kapillaren lassen sich bei Belastungen cruer zu ihrer Achse im Querschnitt elastisch verformen. Dies macht die Kapillaren für eine Verwendung in Verbundbaustoffen besonders geeignet, da hierdurch gewährleistet ist, dass hei extremen Belastunqsfällen singuläre Spannungszustände ausgeglichen und örtliche Uberbeanspruchungen des Gefüges im Verhundbaustoff weitgehend vermieden werden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Herstellen von fadenförmigen Kapillaren, insbesondere mit einem Durchmesser kleiner 200091R und einem Verhältnis von Wandstärke zu Durchmesser von kleiner 1:6, aus anorganischen schmelzfähigen Werkstoffen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Verfahrensschritte: Aufschmelzen des Werkstoffs, Anlegen eines Förderdrucks an den aufgeschmolzenen Werkstoff und Auspressen desselben durch einen freien ringförmigen Spinnspalt in laminarer Strömung unter aleichzeitigem Einbringen eines unter Druck stehenden Füllgases in den von dem Spinnspalt ausgehenden Schlauch aus aufgeschmolzenem Werkstoff, wobei das Einbringen des Füllgases von dem Innengebiet des ringförmigen Spinnspalts aus in einer derartigen Menge geschieht, dass das Füllgas das erwünschte Lumen des Schlauches formt und ausfüllt, und Abziehen des Schlauches unter Verjüngung seines Aussendurchmessers und seiner Wandungsstärke, sowie Abkühlen des Schlauches zur Bildung einer Kapillare.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit extrem niedrigen Spinntemperaturen bei extrem hohen Spinndrücken gearbeitet wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeschmolzene Werkstoff in einem Zustand durch den Spinnspalt gedrückt wird, bei dem er eine extrem hohe Viskosität und geringe Oberflächenspannung aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen und Aufschmelzen des Werkstoffs durch IR-Bestrahlung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeschmolzene Werkstoff erst unmittelbar vor seinem Austritt durch die Spinndüse auf die Spinntemperatur erhitzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff eine Siliziumverbindung, vorzugsweise Glas und/oder Ouarz und/oder Bortrioxid verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff E-Glas verwendet wird, das bei einer Spinntemperatur von etwa 10200C bis etwa 1080°C an dem Spinnspalt verarbeitet wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderdruck auf den aufgeschmolzenen Werkstoff durch Beaufschlagung desselben mittels eines Druckgases und/oder durch den h@drostatischen Druck des aufgeschmolzenen Werkstoffs erzeugt wird 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aufzuschmelzende Werkstoff in diskreten Sticken zugegeben wird und dass er während seiner Zugabe und/oder des Aufschmelzens von dem Druckgas beaufschlagt wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Anspriiche, dadurch gekennzeichnet, dass Spinndrücke von 100.000 Pa und darüber verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas vor seinem Austritt in den vom Spinnspalt ausgehenden Schlauch einen Druckabfall erfährt, der vorzugsweise zumindest die Hälfte des vom flüssigen Schlauch kurz unterhalb des Spinnspalts bewirkten Rückdrucks auf das Füllgas ist.

12. Verfahren nach Anspruch ii, dadurch qekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagung des Füllgases mit etwa 300 Pa bis etwa 1o.ooo Pa, bevorzugt mit etwa 1000 Pa bis etwa 5000 Pa, erfolgt.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man das unter Druck stehende Füllgas für die Erzeugung des Lumens der Kanillare qeaen die Oberflächenspannung des kurz nach dem Spinnspalt noch flüssigen Schlauches Arbeit leisten und zusätzlich Energie auf den Schlauch dadurch übertragen lässt, dass die Schlauchwand während des Spinnvorganges aufcreweitet und radial verstreckt wird.

14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest bis zum Abziehen des Schlauches unter Schutzgas durchgeführt wird und/oder dass als Druckgas zur Erzeugung des Förderdrucks und/oder als Füllgas ein Schutzgas verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem aus dem Sninnspalt austretenden Schlauch , zumindest auf einer Länge von 1 cp, bevorzugt etwa 1 cm bis etwa 10 cm, von aussen Wärme zugeführt wird Verfahren nach einem der vorstehenden Ansruche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesseränderung des Spinnkegels in Abhängigkeit von seiner Entfernung vom Spinnspalt ermittelt wird, um die Temperatur undXoder den Förderdruck und/oder den Füllgasdruck und/oder die Abzuasgeschwindigkeit und damit den Durchmesser und das Verhältnis von Wandungsstärke zu Durchmesser der Kapillare zu regeln 17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auspressen des Schlauches aus dem Spinnspalt und das Abziehen desselben vertikal nach unten erfolgt.

18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schlauch das Verhältnis Durchmesserverjüngung : Wandungsstärkenverjüngung kleiner oder gleich 1:2 @ 2 gehalten wird.

19. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aufcreschmclzene Werkstoff vor seinem Austritt aus dem Spinnspalt durch einen Speiseraum mit überwiegend statischem Druckaufbau geleitet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch qekennzeichnet, dass der aufgeschmolzene Werkstoff in dem Speiseraum einen gedrungenen Verdrängungskörper umströmt, der mit seinem unteren freien Ende die innere Begrenzung des Spinnspalts bildet, und dass das Füllgas durch den Verdr<9ngunqskörper zugeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Speiseraum mit überwiegend statischem Druckaufbau von einem Speiseraum mit überwiegend kinematischem Druckaufbau gespeist wird.

22. Vorrichtung zum Herstellen von fadenförmigen Kapillaren aus schmelzfahigen Werkstoffen, insbesondere nach einem Verfahren gemäss einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (35), welche die zum Aufschmelzen des Werkstoffs notwendige Wärme liefert, durch eine Schmelzkammer (2) zum Aufschmelzen des Werkstoffs (4), durch zumindest eine von den in der Schmelzkammer aufgeschmolzenen werkstoffheaufschlagten Spinndüsen (16), in deren Düsenöffnung (21) ein mit einer Durchgangsbohrung (31) versehener Verdrënqungskörper (22) ragt, durch eine Vorrichtung (27-30), welche die genannte Durchgangsbohrung mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt, und durch eine Abzugsvorrichtung (33) zum Abziehen der von der jeweiligen Düsenöffnung ausgehenden Kapillare.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinndüse (16) zumindest einen mit einer Zuführung (19) für den aufgeschmolzenen Werkstoff (4') versehenen Verteilerraum (18) enth8lt, in dessen rinterseite zumindest eine Düsenöffnung (21) mündet, und dass für jede Düsenöffnung ein Verdrängungskörper (22) vorgesehen ist, der über der Düsenöffnung von oben den 07erteilerraum freitragend durchsetzt und mit seinem freien Ende (25) in die Düsenöffnung derart hineinragt, dass ein durchlaufender ringförmiger Spinnspalt (26) zwischen der Düsenöffnung und ihm entsteht, und dass die Durchgangsbohrung (31) in jedem Verdrängungskörper an der Unterseite desselben innerhalb des genannten ringförmigen Spinnspalts mündet.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass Verdrengungskörper (22) und/oder Verteilerraum (18) zumindest in der Umgebung jedes Verdrängungskörpers rotationssymmetrisch zur Längsachse der DÜsenöffnung (21) ausgebildet sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Spinnspalt (26) längs seines gesamten ringförmigen Verlaufs und in Spinnrichtung über seine gesamte I.Hnge einen konstanten nuerschnitt aufweist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass die Lunge des jeweiliqen-Spinnm spalts in Spinnrichtung in der Grössenordnung des Durchmes sers der Düsenöffnung liegt 27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verdrängungs körper eine qedrungene kegelartige Gestalt aufweist und dass der Durchmesser seiner Basis an deren Einmündung in die Oberseite des Verteilerraumes grösser ist als ihre von dieser Stelle aus gerechnete Längserstreckung bis zu dem freien Ende.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verdrängungskörper (22) mit seiner Basis (23) dichtend in die Ober seite des Düsenkörpers (17) eingesetzt ist oder den oheren Teil desselben bildet (Fig.2).

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verdrängungskörper lediglich an seiner Basis mit dem Düsenkörper verbunden ist, wobei er sich allein über seine Berührungs zone (24) am Düsenkörper (17) abstützt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwicklung der Berührungszone zwischen Düsenkörper und Verdrängungskörper an der Begrenzung des Verteilerraumes grösser ist als die zweieinhalbfache Abwicklung der Mitte des Spinnspalts 31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass die Abwicklung der Berührungszone zwischen Düsenkörper und 7erdrä.ngungskörper an der Begrenzung des Verteilerraumes gleich oder grosser dem Abstand zwischen dieser Stelle und der Düsenöffnung ist.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verteilerraum so ausgestaltet ist, dass in ihm vorwiegend ein statischer Druckaufbau herrscht, wenn er von einem unter Druck stehenden aufgeschmolzenen Werkstoff beaufschlagt ist.

33. Vorrichtung nach einem der Anspriiche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung fiSr den aufgeschmolzenen Werkstoff in den jeweiligen Verteilerraum (18) durch zumindest zwei svmmetrisch zur Längsachse der Düsenöffnung gelegene Einlässe (45) erfolgt.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Einlässen, die langs zumindest eines Kreises angeordnet sind, durch dessen Mitte die Längsachse der Düsenöffnung hindurchgeht.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe an dem äussersten und/oder obersten Bereich des jeweiligen Verteilerraums (18) in diesen miinden.

36. Vorrichtung nach einem der AnsprÜche 32 ff., gekennzeichnet durch einen im wesentlichen iiher dem zumindest einen Verteilerraum (18) gelegenen storverteilerraum (46), der mit den Einlässen des jeweiligen Verteilerraumes über Kanäle (45) verbunden und mit dem aufgeschmolzenen Werkstoff beschickbar ist.

37 Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Verteilerraum (18) ein eigener Vorverteilerraum (46) zugeordnet ist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der minimalen Strömungsauerschnitte der zu dem Verteilerraum (18) führenden Kanäle (45) und Einlässe kleiner ist als der minimale zu dem Vorverteilerraum (46) führende Strömungsquerschnitt.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 ff., dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Vorverteilerraumes (46) erheblich grösser ist als das Volumen des Verteilerraumes (18), so dass der Vorverteilerraum als Kapazität zum Ausgleich von Druck- und Strömungsinhomogenitäten dient.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 33 ff., dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe zwischen den AuslSssen im Verteilerraum (18) und der Oherkante der entsprechenden Düsenöffnung das Ein- bis Dreifache des Spinnspaltdurchmessers beträgt.

41. Vorrichtung nach einem der Anspriiche 36 ff., gekennzeichnet durch eine Filtereinrichtung (46a, 46b), welche die Einlässe zu den Kanälen (45) abdeckt oder in den Kanälen angebracht ist.

42 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 ff., dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Verdrängungskörper (42) zumindest den Boden des Vorverteilerraumes (46) bildet (Fig.2).

43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet dass der jeweilige Verdrängungskörper an seiner der Düsenöffnung abgekehrten Seite aus der Spinndüse hinausgeführt istaund dass dort das eine Ende der Durchgangsbohrung (31) mündet, an dem eine Quelle (29) für ein unter Druck stehendes Füllgas angeschlossen ist 440 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass jedem Verdra..ngungskörer lndividuell ein rohrförmiger Füllgasstutzen (27) zugeordnet ist, der an seiner der Düsenöffnung abgewandten Seite an einer Zuführungsleitung (28) und/oder an einem Verteilerraum (30) für das unter Druck stehende Füllgas (F) angeschlossen ist.

45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung der Durchgangsbohrung (31), dass ein durch sie gefordertes Ftillgas (F) einen Druckabfall erfährt, der zumindest gleich der Hälfte des vom flüssigen Schlauch kurz unterhalb der Spinndüse bewirkten Rückdrucks auf das Füllgas ist.

46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schmelzkammer (2) und der Spinndüse (16) ein Zuführungsraum (15) vorgesehen ist, in welchem der Strömungsquerschnitt fÜr den aufgeschmolzenen Werkstoff gresser ist als in der Spinndüse.

47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., gekennzeichnet durch einen Vorratsraum (1) für den noch nicht aufgeschmolzenen Werkstoff und eine Dosiervorrichtung (3), welche den Werkstoff der Schmelzkammer (2) zuführt, 48 Vorrichtung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzkammer (2) und/oder der Vorratsraum (1) und/oder die Dosiervorrichtung (3) als gasdichte Druckbehälter ausgebildet sind, und dass eine Druckgasquelle (8) an den Vorratsraum und/oder die Dosiervorrichtung und/ oder die Schmelzkammer angeschlossen ist zur Beaufschlagung derselben mit Druckgas (D).

49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurcti -gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung aus IR-Strahlern (35) gebildet ist, die so angeordnet sind, dass sie ihre Wärme im wesentlichen auf die- Schmel-zkammer, den Zuführungsraum und die Spinndüse und/oder auf den aus der Spinndüse austretenden Schlauch aus aufgeschmolzenem Werkstoff abgeben.

50. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Spinndüsen und die Heizeinrichtung für dieselben und die aus den Spinndüsen austretenden Schläuche (4") in einem wärmeisolierten Raum (36) angeordnet sind, der mit Ansnahme von kleinen Durchtrittsöffnungen (38) für die Spinnfäden gasdicht ausgebildet ist und eine mit einer Gasquelle (60) verbundene Zuführung (35) enthält, die fortwährend ein unter Überdruck stehendes Schutzgas (S) in den wärmeisolierten Raum (36) fördert.

51. Vorrichtung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzkammer (2) und/oder der Zuführungsraum (15) in dem wärmeisolierten Raum (36) angeordnet sind.

52. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 £f., dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die mit dem aufgeschmolzenen Werkstoff in Verbindung tretenden Bauelerente undZoder die Füllgaszuführung aus einem korrosionsfesten Material bestehen oder mit einer Schicht eines entsprechenden Materials überzogen sind.

53. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 ff., dadurch gekennzeichnet, dass die von dem aUfgeschmolzenen Werkstoff nicht oder zeitweise nicht bedeckten FlRchen der Spinndüse, der Aufschmelzkammer und/oder des Zuführungsraumes undZoder die Zuführung für das Füllgas von einem Schutzgas gegen eine oxydation geschützt sind