DE3438456A1

DE3438456A1 - Verfahren zur herstellung von feinen fasern aus viskosen materialien

Info

Publication number: DE3438456A1
Application number: DE19843438456
Authority: DE
Inventors: Keihachiro Itami Hyogo Tanaka; Shigekazu Nishinomiya Hyogo Yoshii
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1983-10-19
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1985-05-02
Also published as: KR900004382B1; US4548632A; KR850003364A; FR2553756A1; GB2148878A; GB2148878B; GB8425961D0; JPS6086051A; FR2553756B1

Description

BeSchreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fasern aus einem viskosen Material, wie geschmolzenem Glas oder Kunststoffen, insbesondere von Glasfasern aus einer hochviskosen Glasschmelze. Spezifisch betrifft die Erfindung die Herstellung von ultrafeinen Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 2 bis 3 μΐπ, insbesondere 0,2 bis 3/um.

In den letzten Jahren wurde die Arbeit des Zusammenbaus von elektrischen Bestandteilen wie IC und LSI und Präzisionsbestandteilen von Uhren und Kameras in einem sogenannten sauberen Raum, der frei von Staub und Schmutz ist und hinsichtlich Temperatur und Feuchtigkeit geregelt ist, durchgeführt, um eine Verschlechterung des Verhaltens dieser Gegenstände zu verhindern. Es ist zu erwarten, daß diese Arbeitsweise auch in der Zukunft weiterhin ansteigt. Um den Arbeitsraum durch Entfernung von Staub und Schmutz zu reinigen, werden häufig feine Glasfasern als Filter verwendet, und der Bedarf für derartige Fasern wird in der Zukunft weiterhin zunehmen. Es besteht auch ein gesteigerter Bedarf für höhere Qualitäten derartiger Fasern. Die in derartigen Staubentfernungsfiltern verwendeten Glasfasern haben üblicherweise einen Durchmesser von 0,2 bis 3 um, obwohl der Durchmesser entsprechend der geforderten Qualität differiert.

Andererseits enthalten die für Kraftfahrzeuge oder Mopeds verwendeten Bleibatterien eine verdünnte Schwefelsäurelösung als Elektrolytlösung. Da die Lösung häufig durch Vibration oder Sturz aussickert, tritt gelegentlich die Unbequemlichkeit auf, daß eine frische Zufuhr hiervon eingebracht werden muß. In letzter Zeit wurde ein Verfahren zur Verhinderung des Aussickerns der Elektrolytlösung im Fall des Sturzes entwickelt, indem mit

einer verdünnten Schwefelsäurelösung imprägnierte Glasfasern zwischen den Elektroden angebracht werden. Daher zeigt auch der Bedarf für Glasfasern zur Anwendung in Batterien eine steigende Tendenz.

Die für Luftfilter oder Batterien verwendeten Glasfasern sind kurze Fasern mit einem so kleinen Durchmesser wie 0,2 bis 3 μπι, was etwa 1/50 bis 1/3 des Wertes von thermisch isolierenden Glasfasern, die allgemein in Gehäusen verwendet werden, ist.

Die folgenden Verfahren zur Herstellung von kurzen Glasfasern waren bereits bekannt.

(1) Dampfblasverfahren

Dampfstrahlen unter hohem Druck werden gegen das abwärts strömende fließende Glas zum Abblasen des geschmolzenen Glases und zur Ausbildung desselben zur Glaswolle geblasen (siehe J. Gilbert Mohr und William P. Rowe,
"FIBER GLASS", Van Nostrand Reinhold Company, 1978, Seiten 9-10).

(2) Flammverdünnungsverfahren

Eine Flamme von hoher Geschwindigkeit wird auf die festen Fäden aus Glas angewandt, um sie zu fibrisieren (ibid., Seite 10).

(3) Zentrifugalverfahren

Geschmolzenes Glas wird durch Abschleudern durch Zentrifugalkraft und weitere Anwendung von Hochgeschwindigkeit sluftströmen hierauf fibrisiert (ibid.,
Seiten 12-13).

(4) Torationsverfahren

Ein geschmolzener Glasstrom wird in Gasströme von hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit als sekundäre Düsenströme mittels Gasströmen von hohem Druck und hoher Temperatur, die entlang des geschmolzenen Glasstromes fließen, eingeleitet und zu feinen Fasern durch die sekundären Düsenströme fibrisiert (ibid., Seite 11 und japanische Patentveröffentlichung 43932/1977 entsprechend US-PS 3 874 886).

(5) RGJ-Verfahren (Drehgasdüsenverfahren)

Eine Mehrzahl von Gasströmen von hoher Temperatur und hohem Druck werden in Form eines Wirbels gegen einen geschmolzenen Glasstrom geblasen, um das Glas zu zerteilen (japanische veröffentlichte Patentanmeldung 25113/ 1977 und japanische Patentveröffentlichung 17855/1982 und US-PS 4 135 903, 4 185 981 und 4 243 400).

Die nach den Verfahren (1) bis (5) hergestellten Glasfasern sind allgemein zur Anwendung als thermisch isolierende Materialien allgemein für Gehäuse, Industrierohrleitungen und dergleichen geeignet und besitzen Durchmesser von etwa 3 bis 20 μΐη.

Falls diese Verfahren zur Herstellung von ultrafeinen Fasern angewandt werden, welche beispielsweise in den vorstehend aufgeführten Luftfiltern verwendet werden können, ergeben sich die folgenden Probleme.

Beim Dampfblasverfahren (1) können die Glasfasern bis herab zu 3 bis 2 μπι Durchmesser verkleinert werden, jedoch können keine feineren Fasern erhalten werden. Es wird angenommen, daß das Glas verfestigt wird, bevor der Durchmesser der Faser auf einen Wert unterhalb desjeni-

gen Wertes abnimmt. Weiterhin ist bei diesem Verfahren der abwärts strömende Gasstrom für den Bruch durch die Hochgeschwindigkeitsdampfströme anfällig und das Glas kann im viskosen Zustand nicht gut zu den Hochgeschwindigkeitsdampfströmen gefördert werden. Infolgedessen haben die nach diesem Verfahren hergestellten Fäden einen nicht einheitlichen Durchmesser und enthalten zahlreiche Unvollständigkeiten, wie Filme (flockiges Glas), Kugeln (kugelartiges Glas) und Schrot (dicke Fasern).

Beim Flammenverkleinerungsverfahren (2) werden die vorhergehend ausgebildeten primären Fasern kontinuierlich in Luftströme von hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur zur Wärmeerweichung der Primärfasern und zum gleichzeitigen Strecken derselben durch die Hochgeschwindigkeitsluftströme eingesetzt. Deshalb können kurze Fasern mit einem kleinen Durchmesser und einer großen Länge erhalten werden. Jedoch muß gleichzeitig eine hohe Energie, die für die Wärmeerweichung und die für die Streckung der Primärfasern erforderliche kinetische Energie erforderlich ist, erteilt werden, um die Wiedererhitzungserweichung und die Streckung der Primärfasern gleichzeitig auszuführen. Um deshalb eine größere Energie, als sie zum Strecken erforderlich ist, zuzuführen, müssen die Hochgeschwindigkeitsluftströme als Quelle derartiger Energie in äußerst großen Mengen eingesetzt werden. Da weiterhin die Wirksamkeit der Wärmeleitung von dem Gas zu dem Glas schlecht ist, ist über jede Erwartung hinaus die Menge der Hochgeschwindigkeitsgasströme äußerst groß.

Das Verfahren (2) ist jetzt das einzige Verfahren, wodurch ultrafeine Fasern, die für die vorstehenden Filter verwendet werden, industriell hergestellt werden. Um

diese ultrafeinen Fasern zu erhalten, muß der Durchmesser der in die Gasströme von hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit einzusetzenden Primärfasern einheitlicher und kleiner gemacht werden, und infolgedessen nimmt die Menge des für die Fibrisierung erforderlichen Gases weiterhin zu. Um beispielsweise 1 kg Glasfasern mit einem Durchmesser von 8 bis 9 μιη zu erhalten, ist 1 kg Butan erforderlich, um die Gasströme von hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit auszubilden. Im Fall von Fasern mit einem Durchmesser von 2 μιη sind 3 kg Butan erforderlich. Falls Fasern mit einem Durchmesser von 0,6 μιη gewünscht werden, beträgt die Menge des erforderlichen Butans etwa 6 kg. Um diesen Fehler zu vermeiden, wurden beispielsweise Versuche unternommen, die Primärfasern vor dem Einsetzen in die Hochgeschwindigkeitsgasströme vorzuerhitzen (beispielsweise US-PS 2 607 075). Jedoch waren die Ergebnisse nicht völlig zufriedenstellend.

Das Zentrifugalverfahren (3) umfaßt die Zuführung eines hitzeerweichbaren Materials auf eine Drehscheibe oder einen Spinner und die Aufbringung von Hochgeschwindigkeitsluft strömen gegenüber den Strömen der sich von Löchern oder VorSprüngen um den Umfang der Scheibe oder des Spinners aufgrund der Zentrifugalkraft abströmenden fadenartigen Materialien, um diese wegzublasen. Es ist deshalb sehr schwierig, Glasfasern mit einem Durchmesser von weniger als einigen Mikrometern zu erhalten. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß, falls das Glas auf einen Wert unterhalb einiger Mikrometer zu zerkleinern ist, die Umgebungsatmosphäre bei niedriger Temperatür liegt und das Glas verfestigt wird, bevor es gestreckt ist. Da ferner der sich drehende Teil bei hohen Temperaturen liegt, ist seine Schädigung rasch.

Das Torationsverfahren (4) ist eine Verbesserung gegenüber dem vorstehend abgehandelten Flammzerkleinerungsverfahren. Da in diesem Fall die Primärfasern aus geschmolzenem Glas gebildet werden und dann in Gasströme von hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit eingeleitet werden, ist das Glas, welches in die Gasströme von hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur eingeleitet wurde, bereits im erweichten Zustand und die Gasströme von hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit werden ausschließlich zur Zerkleinerung des Glases verwendet. Infolgedessen zeigt die thermische Wirksamkeit für die Glasverkleinerung einen markanten Anstieg gegenüber dem vorstehenden Flammzerkleinerungsverfahren. Bei dem Torationsverfahren bildet das in die Gasströme von hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit einzuleitende Glas lediglich einen einzigen Strom, welcher nach abwärts aus einem Glasausströmungsmundstück fließt. Falls Versuche unternommen werden, die Glasausströmungsmundstücke in einer praktisch senkrecht zu den Gasströmen von hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit senkrechten Reihe anzuordnen, ergibt sich eine Grenze hinsichtlich der Verringerung der Ausrichtung der Abstände der Mundstücke, da eine physikalische Beschränkung bezüglich der Herstellung der Glasausströmungsmundstücke besteht. Infolgedessen ist auch dieses Verfahren nicht vollständig zufriedenstellend im Hinblick auf die thermische Wirksamkeit.

Das RGJ-Verfahren (5) ist ein ausgezeichnetes Fibrisierverfahren hinsichtlich der thermischen Ausnützung, da das Glas zerkleinert wird, indem eine Mehrzahl von Gasströmen von hoher Temperatur und hohem Druck in Form eines Wirbels gegen einen geschmolzenen Glasstrom, der nach abwärts aus einem Mundstück strömt, geblasen

wird. Wenn man jedoch wünscht, feine Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 3 μπι zu erhalten, ist es notwendig, die Viskosität des geschmolzenen, aus dem Mundstück abwärts strömenden Glasstromes zu verringern. Zu diesem Zweck muß die Temperatur des Substratmaterials des Mundstückes erhöht werden. Dies verursacht den Nachteil, daß Platin als Substrat des Mundstückes Temperaturen nahe seiner Gebrauchsgrenze erreicht. Falls für die Glasfasern eine chemische Beständigkeit erforderlich ist, wird die Viskosität der Glaszusammensetzung höher und infolgedessen tritt die vorstehende Tendenz stärker auf.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zur industriellen Herstellung von ultrafeinen Fasern, insbesondere ultrafeinen Kurzfasern,in wirksamer Weise aus einem viskosen Material.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zur industriellen Herstellung von ultrafeinen Kurzfasern in wirksamer Weise aus einem viskosen Material, welches eine Verbesserung gegenüber dem üblichen RGJ-Verfahren darstellt.

Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben und Vorteile im Rahmen der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung von feinen Fasern erzielt, welches (1) das Ausströmen eines viskosen Materials aus einer Austrittsöffnung bzw. einem Ausströmungsmundstück,

(2) das Ausblasen eines geradlinigen ersten Hochgeschwindigkeit sgasstromes aus jeder von mindestens drei am Umfang um die Austrittsöffnung bzw. das Ausströmungsmundstück im Abstand angeordneten Gasstrahldüsen, um abrupt

die Querschnittefläche des ersten feinen Stromes der ausgeströmten viskosen Substanz zu verringern und einen zweiten feinen Strom aus dem viskosen Material mit einem verringerten Querschnittsbereich zu bilden, wobei der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom die folgenden beiden Vektorkomponenten besitzt:

(A) eine Tangentialkomponente entlang dem äußeren Umfang desjenigen Abschnittes des ersten feinen Stromes aus der viskosen Substanz, welche die Achse des ersten feinen Stromes kreuzt, und

(B) eine Komponente, die sich zunächst graduell der Achse des ersten feinen Stromes in der Strömungsrichtung des viskosen Materials annähert und sich dann graduell von dieser Achse wegbewegt,und

(3) Blasen eines zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes gegen den zweiten feinen Strom mit verringerter Querschnittsfläche quer zur Achse des ersten feinen Stroms des viskosen Materials an einer Stelle stromabwärts von derjenigen Stelle, an der sich der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom am stärksten an die Achse des ersten feinen Stroms aus dem viskosen Material annähert, betrachtet in der Strömungsrichtung des viskosen Materials, so daß der zweite feine Strom weiterhin verdünnt wird,

umfaßt.

Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen teilweise unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin

Fig. 1 eine grobe Te ildr auf sieht einer Ausführungsform eines im Rahmen der Erfindung eingesetzten Fibrisiergerätes zeigt,

Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie A-A¹ der Fig. 1 und

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Fig. 3 eine grobe Skizze einer Vorrichtung zur Herstellung eines Hochgeschwindigkeitsgasstroms, welche die Herstellung eines zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes unter Anwendung eines an molekularem Sauerstoff angereicherten Gases in dem erfindungsgemäß eingesetzten Fibrisiergerät zeigt,
darstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht im wesentlichen in einer ersten Stufe, in welcher ein viskoses Material aus einer Austrittsöffnung bzw. einem Ausströmungsmundstück ausfließen gelassen wird, einer zweiten Stufe des Blasens eines geradlinigen ersten Hochgeschwindigkeitsstromes gegen einen feinen Strom des viskosen Materials, welches aus der Austrittsöffnung bzw. dem Ausströmungsmundstück ausgeströmt ist, um die Querschnittsfläche des feinen Stromes abrupt zu verringern und einen zweiten feinen Strom zu bilden, und einer dritten Stufe des weiteren Blasens eines zweiten Hcohgeschwindigkeitsgasstromes gegen den zweiten feinen Strom, um den zweiten Strom weiterhin zu verdünnen.

Das viskose Material besteht aus einem durch Wärme erweichbaren Material wie Glas. Das Ausströmen der vis kosen Substanz aus dem Ausströmmundstück kann beispiels weise im Fall von Glas durch WärmeSchmelzung des Glases in einem Schmelztopf zur Bildung eines viskosen Materials und Ausströmenlassen des viskosen Materials kontinuierlich durch das Ausströmmundstück, welches bei- spielsweise in der Bodenwand des Schmelztopfes ausgebildet ist, durchgeführt werden. Allgemein hat das Ausströmmundfffeück eine kreisförmige Querschnittsform, und infolgedessen besitzt auch der feine Strom aus dem viskosen Material, der aus dem-Ausströmmondstück ausfließt, einen kreisförmigen Querschnitt.

In der zweiten Stufe wird ein geradliniger Hochgeschwindigkeitsgasstrom gegen den feinen Strom aus dem viskosen Material geblasen. Das Blasen des Hochgeschwindigkeitsgasstroms wird durchgeführt, indem der geradlinige Hochgeschwindigkeitsgasstrom aus jeder von mindestens drei Gasstromdüsen, welche um das Ausströmmundstück am Umfang verlaufend in Abstandsbeziehung angebracht sind, ausgedüst wird. Jeder Hochgeschwindigkeitsgasstrom muß eine Tangentialkomponente entlang dem äußeren Umfang desjenigen Abschnittes des ersten feinen Stromes aus der viskosen Substanz besitzen, welche die Achse des ersten feinen Stromes kreuzt, und eine Komponente besitzen, die sich zunächst graduell der Achse des ersten feinen Stromes in der Strömungsrichtung des viskosen Materials annähert und dann sich graduell von dieser Achse wegbewegt.

Wenn der feine Strom aus dem viskosen Material der Einwirkung von mindestens drei geradlinigen Hochgeschwindigkeitsgasströmen unterliegt, wird ein Drehmoment um die Achse des feinen Stromes an den feinen Strom durch die Tangentialkomponente des Hochgeschwindigkeitsgasstromes erteilt. Unterdessen wird der feine Strom gleichzeitig in seiner Strömungsrichtung durch die andere Komponente des Hochgeschwindigkeitsgasstromes gestreckt.

Infolgedessen wird in der Gegend der Stellung, bei der sich die Achse des Hochgeschwindigkeitsgasstromes am stärksten der Achse des feinen Stromes annähert, der bisweilen als erster Konvergenzpunkt bezeichnet wird, der erste Strom zur Gestalt eines verjüngten Konus durch diese Hochgeschwindigkeitsgasströme verformt und abrupt hinsichtlich der Querschnittsfläche verringert. So wird beispielsweise der erste feine Strom des in einem Durchmes-

ser von 0,5 bis 2,0 mm in der ersten Stufe strömenden viskosen Materials in der zweiten Stufe auf etwa 0,3 mm als Durchmesser des Endteils der konischen Form verringert und wird so zu einem zweiten feinen Strom mit einem Durchmesser von etwa 4 bis etwa 20 μΐη überführt.

Günstigerweise sind deshalb die drei oder mehr Gasströmdüsen zum Düsen der Hochgeschwindigkeitsgasströme symmetrisch umlaufend um das Ausströmmundstück angeordnet, um das Drehmoment glatt an den feinen Strom an dem ersten Konvergenzpunkt zu erteilen.

Die Angaben des US-PS 4 135 903 und des entsprechenden GB-PS 1 555 780, die sich auf die ersten und zweite Stufe der vorliegenden Erfindung beziehen, werden hiermit als Teil der Lehre der vorliegenden Erfindung zitiert.

In der dritten Stufe wird der zweite Hochgeschwindigkeitsgasstrom gegen den zweiten feinen Strom geblasen. Dieses Blasen wird quer zur Achse des ersten feinen Stromes in einer Stellung stromabwärts von der Stellung (erster Konvergenzpunkt) durchgeführt, bei der sich der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom am stärksten der Achse des ersten Stroms annähert, wenn man in Strömungsrichtung des ersten feinen Stromes betrachtet.

Günstigerweise ist die kinetische Energie des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes je Einheitsvolumen niedriger als die kinetische Energie 3e Einheitsvolumen des ersten Hochgeschwindigkeitsgasstromes, welcher den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom nach der Kollision mit dem feinen Strom kontaktiert hat. Anders ausgedrückt dringt, wenn der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom eine

größere kinetische Energie je Einheitsvolumen als der zweite Hochgeschwindigkeitsgasstrom besitzt, der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom in den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom ein, und der zweite feine Strahl der auf dem ersten Hochgeschwindigkeitsgasstrom getragenen viskosen Substanz wird glatt in den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom eingeleitet. In gleicher Weise ist die Querschnittsfläche des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes größer als diejenige des ersten Hochgeschwindigkeitsgasstromes, so daß der zweite feine Strom glatt in den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom eingeführt werden kann.

Durch das Aufblasen des zweiten Hochgeschwindigkeitsgas stromes gegen den zweiten feinen Strom in einer Stellung stromabwärts von dem ersten Konvergenzpunkt kann der zweite hinsichtlich der Größe durch den ersten Hochgeschwindigkeitsgasstrom verringerte feine Strom weiterhin verdünnt werden. Ferner kann durch Aufblasen des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes gegen den zweiten feinen Strom in einer Richtung, der die Achse des ersten feinen Stromes quert, beispielsweise in einer Richtung rechtwinklig zur Achse des ersten feinen Stromes, ein Raum zur Ausbildung einer Oasstromdüse zum Aufdüsen des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes leicht sichergestellt werden. Da weiterhin die Flugrichtung des zweiten feinen Stromes durch den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom variiert ist, wird der zweite feine Strom weiterhin verdünnt.

Falls das viskose Material ein einen stabilen viskosen Zustand bei hoher Temperatur beibehaltendes Material ist, beispielsweise Glas, wird der zweite Hochgeschwindigkeitsgasstrom vorzugsweise durch Verbrennung

eines Brenngases mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas mit einem höheren Sauerstoffgehalt als Luft, vorzugsweise ein an molekularem Sauerstoff angereichertes Gas mit einem Sauerstoffgehalt von mindestens 22 Volumen-% hergestellt, damit der zweite feine Strom bei einer ausreichend hohen Temperatur, um ihn weiterhin zu strecken, gehalten wird. Das vorstehend angegebene mit molekularem Sauerstoff angereicherte Gas von hohem Sauerstoffgehalt kann leicht hergestellt werden, beispielsweise durch Vermischen von Luft mit Sauerstoff, und dies bringt den Vorteil mit sich, daß die Menge des molekularen Sauerstoff enthaltenden Gases in der für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes erforderlichen Menge gering gehalten werden kann. Infolgedessen ist das erhaltene Gas bei einer höheren Temperatur als das unter Anwendung von Luft hergestellte Gas. Die Anwendung des so hergestellten Hochtemperaturgases als zweiter Hochgeschwindigkeitsgasstrom dient zur Verminderung der nachteiligen Effekte, die durch die Abkühlung des ersten Hochgeschwindigkeitsgasstromes durch die Raumtemperatur auf niedrigere Temperaturen, welche der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom trägt, verursacht werden, wenn er in den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom eindringt. Infolgedessen wird der zweite feine Strom bei einer für das weitere Strecken durch den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom ausreichenden hohen Temperatur gehalten und er wird in vorteilhafter Weise in ultrafeine Fasern überführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht grundsätzlieh aus den vorstehenden Stufen 1 bis 3, Jedoch ist es auch möglich, die folgende Stufe 4 zwischen den Stufen und 3 auszuführen.

Die Stufe 4 wird ausgeführt, indem eine Mehrzahl von hilfsweisen Hochgeschwindigkeitsgasströmen mit einem zweiten Konvergenzpunkt nächst der Achse des ersten feinen Stromes unterhalb des ersten Konvergenzpunktes geführt werden oder praktisch parallel zur Achse des· Ausströmmundstückes aus einer Mehrzahl von hilfsweisen Gasstromdüsen, welche außerhalb der vorstehenden mindestens drei Gasstromdüsen, welche als erste Gasstromdüsen bezeichnet werden, angebracht sind, sind und infolgedessen diese Ströme veranlassen, den durch den ersten Hochgeschwindigkeitsgasstrom gebildeten zweiten feinen Strom zu treffen, bevor er praktisch den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom kontaktiert. Die Vorteile der Anwendung der hilfsweisen Hochgeschwindigkeitsgasströme liegen darin, daß der zweite feine Strom gestreckt werden kann, bevor er durch den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom gestreckt wird, und daß der zweite feine Strom sehr leicht in den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom durch die Wirkung der hilfsweisen Hochgeschwindigkeitsgasströme eingeleitet werden kann.

Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung die feinen Ströme des viskosen Materials wirksam ferner durch geringe Mengen von Gasströmen in der zweiten Stufe und gegebenenfalls auch in der vierten Stufe verdünnt werden und die Düsen für die Eindüsung der Gasströme können in der Umgebung des Ausströmungsmundstückes für das viskose Material untergebracht werden. Durch die vorliegende Erfindung kann deshalb die Menge der je Einheitsmenge der eingesetzten Gase hergestellte Menge an Fasern sehr stark gesteigert werden. Da ferner eine Vielzahl von Ausströmungsmundstücken in Nebeneinanderstellung gemäß der Erfindung vorgesehen sein kann, kön-

nen die Mengen der per Gerät hergestellten Fasern sehr hoch sein. Derartige Vorteile können beispielsweise durch das Torationsverfahren nicht erzielt werden.

Um das Verständnis der Merkmale der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird nachfolgend das Verfahren der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 erläutert.

In der Fig. 1 bedeutet M die Öffnung eines Ausströmmundstückes 3 für das viskose Material, und eine erste Gruppe von Gasstrahldüsen a^, b^, a¹^ und b'-j sind praktisch symmetrisch um das Ausströmmundstück 3 (M) angeordnet .

Die Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Fig. 1 entlang der ersten Gruppe der Gasausströmdüsen. Die Fig. 1 zeigt vier Gasausströmdüsen. Bei dem gemäß der Erfindung einzusetzenden Fibrisiergerät ist es notwendig, daß die erste Gruppe einer Mehrzahl der Gasstromdüsen symmetrisch um das Ausströmmundstück angeordnet werden muß. Die Anzahl dieser Düsen ist jedoch nicht begrenzt.

Gewünschtenfalls kann eine Mehrzahl von hilfsweisen Gasströmdüsen (nicht gezeigt) außerhalb der ersten Gruppe von Gasströmdüsen ausgebildet sein. Die Achsen der hilfsweisen Gasausstrahldüsen besitzen einen zweiten Konvergenzpunkt, bei dem sie praktisch oder vollständig auf die Achse des Ausströmmundstückes treffen oder sie können parallel zur Achse des Ausströmmues—aein. Der zweite Konvergenzpunkt liegt weiterhin unterhalb des ersten Konvergenzpunktes, bei dem die Achsen der ersten Gruppe von Gasstrahldüsen sich am meisten der Achse des Ausströmmundstückes annähern.

In der Fig. 2 bezeichnet die Bezugsziffer 8 eine Gasstrahlöffnung, die als zweites Gebläse bezeichnet wird, in Form einer Düse oder eines Schlitzes zum Eindüsen eines zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9. Günstigerweise ist der obere Endteil des Gaseindüsloches 8 oder die verlängerte Oberfläche von dessen Innenwand geringfügig unterhalb des Konvergenzpunktes der Achsen der ersten Gasstromdüsen 4 und 4¹ angebracht. Falls der obere Endteil des zweiten Gebläses oberhalb des Konvergenzpunktes der Achsen der ersten Gasstrahldüsen angebracht ist, wird die konische Form 10 des viskosen Materialstromes 5 durch die Einwirkung des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9 gestört und die Strömung wird uneinheitlich. Infolgedessen bleibt das viskose Material teilweise unfibrisiert.

Demzufolge wird ein feiner Strom 5, der eine Rotierkraft durch den ersten aus der ersten Gruppe der Gasstromdüsen a.j, a*.|, b₁ und b¹^ (Fig. 1) ausgedüsten Hochgeschwindigkeitsgasstrom erteilt hat, an einer Stelle hinter der Konvergenzstelle C der ersten Gruppe der Gasstromdüsen ausgedüst und fließt radial in einer Richtung senkrecht zur Achse des Ausströmmundstückes 3 aufgrund von seiner eigenen Zentrifugalkraft. Ein Teil hiervon wird jedoch durch den aus der ersten Gruppe der Gasstromdüsen a^, a'-j» b^ und b¹^ ausgedüsten ersten Hochgeschwindigkeitsgasstrom weggeblasen und geht in den zentralen Teil des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9, der durch das Gebläse 8 ausgedüst wird, und unterliegt somit der Einwirkung eines Gasstromes mit einer höheren Geschwindigkeit. Andererseits geht derjenige Teil des feinen Stromes aus dem viskosen Material, welches nicht auf dem ersten Hochgeschwindigkeitsgasstrom, der aus der ersten Gruppe der Gasströmdüsen a.,, a'^, b₁ und b¹., aus-

gedüst wird, getragen wird, in eine Zone von niedriger Geschwindigkeit des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9 oder einem gleichlaufenden Luftstrom. Da der Anteil des feinen Stromes, der in den zentralen Teil des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9 gegangen ist, kontinuierlich zu dem Anteil ist, welcher in die Zone von niedriger Geschwindigkeit oder den gleichlaufenden Luftstrom gegangen ist, werden sie beide gestreckt und verdünnt, wenn auch innerhalb unterschiedlicher Zeiträume, nachdem sie in den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom 9 gegangen sind. Vorteilhafterweise ist der Betrag der Bewegung des ersten Hochgeschwindigkeitsgasstromes, der aus der ersten Gruppe der Gasstromdüsen a.., a'.j, b-j und b^ ausgedüst wurde, je Einheitsquerschnittsfläche größer als diejenige des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9. Günstigerweise erreicht der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom die zentrale Zone, wo die Geschwindigkeit des Gasstromes am höchsten ist, des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9, der aus dem zweiten Gebläse ausgedüst wurde, so daß in diesem Fall die feinen Fasern sehr leicht erhalten werden.

Falls diese hilfsweisen Gasstromdüsen vorhanden sind, dienen die von diesen hilfsweisen Düsen geblasenen Gasströme dazu, den feinen Strom 5 in die zentrale Zone des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9 zu füllen und ermöglichen es, feinere Fasern leicht zu erhalten. Wenn die Geschwindigkeitsverteilung des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes 9 in seiner Querschnittsrichtung breiter wird, können vorteilhaft feinere Fasern erhalten werden. Die geeignete Temperatur des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes beträgt mindestens 100O⁰C, vorzugsweise mindestens 1300⁰C, wenn beispielsweise gewünscht wird, ultrafeine Glasfasern herzustellen. Falls die Temperatur

des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes zu hoch ist, werden die Fasern erneut gelöst und ihre Oberflächenspannung wird überwiegend. Infolgedessen werden die Fasern kugelartig.

Bevorzugte Ausführungsformen des günstigerweise bei der praktischen Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung verwendeten Fibrisiergerätes sind nachfolgend beschrieben.

(1) Durchmesser und Längen von-Mundstück, und Düsen Durchmesser des Juse^feröfflungsauiidstückes für das geschmolzene Glas (D, in Fig. 2): 0,4 bis 2,5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm.

Durchmesser Jeder der Gasströmungsdüsen der ersten Gruppe (D~ in Fig. 2): 0,2 bis 1,5 nun, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 mm.

Länge der ersten Gruppe der Gasströmdüsen (L_G in Fig. 2): 1 bis 7,5 mm, vorzugsweise 2,5 bis 4,0 mm.

(2) Relative Stellungen der ersten Gasströmungsdüsen im Schnittabschnitt

Abstand zwischen den Achsen in der Öffnungsoberfläche (B_G in Fig. 2): 1 bis 5 mm, vorzugsweise 2 bis 4 mm.

Winkel (α in Fig. 2), der zwischen einer senkrecht zur Achse des Ausströmmundstückes und der Achse der ersten Gasströmdüse gebildeten Phantomebene liegt: 20 bis 70°, vorzugsweise 35 bis 55°.

Senkrechter Abstand zwischen der Öffnungsoberfläche und dem ersten Konvergenzpunkt (Lp in Fig. 2): 0,5 bis 3 mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm.

(3) Relative Stellung des zweiten Gebläses in der in der Schnittstellung

Abstand zwischen der Öffnungsoberfläche der ersten Gasströmdüse und dem oberen Ende der Öffnungsoberfläche des zweiten Gebläses (L_ß in Fig. 2): 0,6 bis 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm, mit der Maßgabe, daß L_ß größer als Lp ist.

Durchmesser der Öffnungsoberfläche des zweiten Gebläses (Sg in Fig. 2): 1 bis 10 mm, vorzugsweise 1,5 bis 5 mm.

Abstand zwischen der Achse dee—undstückes ~ und der Öffnungsoberfläche des zweiten Gebläses (S_L in Fig. 2): 1,5 bis 20 mm, vorzugsweise 2 bis 10 mm.

Winkel (ß in Fig. 2), der zwischen der Gasströmungszentralachse des zweiten Gebläses und einer senkrecht zur Achse des Ausströmmundstückes senkrechten Ebene gebildet ist: 0 bis 60°, vorzugsweise 0 bis 45°, stärker bevorzugt 0 bis 15°.

(4) Relative Stellung der Gasströmdüsen auf der Ebene

Abstand zwischen den Achsen der beiden ersten Gasströmdüsen innerhalb einer durch den ersten Konvergenzpunkt gehenden Phantomebene, die senkrecht zur Achse .des — -Ausströmungsmundstückes ist (S_Q in Fig. 1): 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise 0,7 bis 1,5 mm.

Abstand zwischen benachbarten Ausströmungsmundstücken (P in Fig. 1): 1,0 bis 10 mm, vorzugsweise 1,5 bis 5 mm.

Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene viskose Materialien angewandt werden. Falls beispielsweise Glas als viskoses Material verwendet wird, kann das erste Gas bsi dem Druck (Druck innerhalb der Mundstücke 4,4' in der Fig. 2) von 1,0 bis 2,0 kg/cm , beispielsweise 1,5 kg/ cm , und bei einer Temperatur (Temperatur zwischen den

2?

Mundstücken 4,4' in der Fig. 2) von 1150 bis 125O⁰C gehalten werden, und das zweite Gas kann bei einem Druck (Druck an der Innenseite von 8 in Fig. 2) von 0,2 bis 0,5 kg/cm , beispielsweise 0,3 kg/cm , und bei einer Temperatur (Temperatur an der Innenseite von 8 in Fig. 2) von 1600 bis 2000⁰C gehalten werden. Falls das viskose Material ein thermoplastisches Material wie Polyethylenterephthalat ist, beträgt die Temperatur des ersten Gases etwa 300⁰C und die Temperatur des zweiten Gases beträgt 400 bis 50O⁰C. Die Drücke dieser Gase sind die gleichen, wie sie vorstehend für Glas angegeben sind. Unter den vorstehenden Bedingungen beträgt die kinetische Energie je Einheitsfläche des ersten Gases etwa das Zweifache wie diejenige des zweiten Gases.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Fibrisiergerät, welches günstigerweise im Rahmen der Erfindung eingesetzt wird, fließt das geschmolzene Glas, welches in dem Glasschmelztopf (nicht gezeigt) geschmolzen wurde und in die Fibrisiervorrichtung (Platintopf) 1 strömte, aus dem Ausströmmundstück 3 und wird von einer Erzeugungsvorrichtung für Gas von hohem Druck und hoher Temperatur (nicht gezeigt) durch einen Einlaß (nicht gezeigt) gefordert. Es geht durch Verteilungen 7 und 7¹ und unterliegt zunächst der Einwirkung des ersten Hochgeschwindigkeitsgasstromes von hoher Temperatur und hohem Druck, der von den ersten Gasausströmdüsen 4 und 4¹ ausgedüst wurde, und wird unter Bildung eines Konus 10 fibrisiert. Dann wird durch die Einwirkung eines zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes von hoher Temperatur, der aus dem zweiten Gebläse 8 ausgedüst wird, dieses Material weiterhin erhitzt und zu sehr feinen Glasfasern gestreckt.

Die Fig. 3 stellt eine grobe Skizze einer Vorrichtung zur Herstellung eines Hochgeschwindigkeitsgases zur Erzeugung des zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstromes durch Anwendung eines an molekularem Sauerstoff angereicherten Gases in dem beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Fibrisiergerätes dar.

Die durch einen Kompressor 18 komprimierte Luft wird zu einem Mischer 30 durch eine Hauptleitung 30 lediglich in der geforderten Menge, die durch ein Strömungsregelungsventil 27 eingestellt ist, gesandt. Die Strömungsmenge der komprimierten Luft wird durch ein Mundstück und einen Differentialdruckgenerator 25 festgestellt. Das Ausmaß der öffnung des ersten Strömungsgeschwindigkeitsregelungsventils 28 für den Brennstoff wie Butan aus einem Brennstofftank 19 wird entsprechend der gewünschten Geschwindigkeit der durch eine Strömungsmessungs/Geschwindigkeits-Angabevorrichtung 26 vorgeschriebene Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit eingestellt, um mit der festgestellten Menge der Strömung an komprimierter Luft und der erforderlichen Menge des zu der Hauptleitung 31 zuzuführenden Brennstoffes übereinzustimmen. Daneben wird Sauerstoff aus einem Sauerstoffgasgenerator zu dem Mischer durch das Hauptrohr 31 in der erforderlichen, durch das Sauerstoffmengenregulierventil 23 geregelten Menge gesandt. Die Menge der Strömung des Sauerstoffes wird durch ein Mundstück 20 und einen Differentialdruckgenerator 21 festgestellt. Das Ausmaß der Öffnung eines zweiten Brennstoffströmungsmengenregulierventiles 29 wird entsprechend der gewünschten Geschwindigkeit der durch eine Strömungsmessungs/Geschwindigkeits-Bestimmungsvorrichtung 22 vorgeschriebene Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr eingestellt, um mit der festgestellten Menge der Sauerstoffströmung übereinzustimmen,

und die erforderliche Menge des Brennstoffes wird zu dem Hauptrohr 31 geliefert. Brennstoff, Luft und Sauerstoff werden innig in dem Mischer 30 vermischt und verbrannt und ergeben zusammen mit der Auslaßdüse 16 den zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom bei der gewünschten Temperatur.

Wenn das geschmolzene Glas unter Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Fasern gemäß der Erfindung fibrisiert wird, werden sehr feine Fasern mit einem Durchmesser von 2,0 μι oder weniger sehr leicht erhalten. Diese feinen Fasern können nicht unter Anwendung eines Fibrisiergerätes, welches lediglich die erste Gruppe der Gasströmungsdüsen besitzt, oder eines Fibrisiergerätes, welches die erste Gruppe von Gasströmungsdüsen und Hilfsgasströmungsdüsen besitzt, erhalten werden. Die für das Erhitzen und die Streckung erforderliche thermische Energie beträgt 1/3 bis 1/4 derjenigen, welche beim Flammverkleinerungsverfahren erforderlich ist, und beträgt weniger als etwa 1/2 derjenigen, die beim Torationsverfahren erforderlich ist, und es werden sehr feine Fasern von der gleichen Qualität wie bei diesen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten.

Claims

WIEGAND NIEMAND KÖHLER GLAESER KRESSIN

PATENTANWXITE

European Patent Attorneys

MÖNCHEN
DR. M. KOHlER
OR. H.-R KRESSIN

DR. E. WIEGANDt
(1932-1980)

HAMBURG
DIPL-ING. ]. GlAESER
DIPl.-ING. W. NIEMANN t
(1937-1982)

W. 44570/84 Ko/Pe

3A38456

TELEFON: 089-555476/7
TELEGRAMME: KARPATENT TELEXt 529068 KARPD TELEFAX: 089-595691

D-8000 MÖNCHEN 2 HERZOG-WILHELM-STR. 16

19. Oktober 1984

Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Osaka (Japan)

Verfahren zur Herstellung von feinen Pasern aus viskosen Materialien

Patentansprüche

1 1. Verfahren zur Herstellung von feinen Pasern,

dadurch gekennzeichnet, daß

(1) ein viskoses Material aus einer Austrittsöffnung bzw. aus einem Ausstromungsmundstück ausströmen gelas-

sen wird,

(2) ein geradliniger erster Hochgeschwindigkeitsgasstrom aus jeder von mindestens drei am Umfang um die
Ausstrittsöffnung bzw. das Ausströmungsmundstück im Abstand angeordneten Gasstrahldüsen zur abrupten Verringerung der
Querschnittsfläche des ersten feinen Stroms der ausgeströmten viskosen Substanz unter Bildung eines zweiten feinen
Stroms aus dem viskosen Material mit einer verringerten

Querschnittsfläche geblasen wird, wobei der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom die folgenden zwei Vektorkomponenten aufweist:

(A) eine Tangetialkomponente entlang dem äußeren Umfang desjenigen Abschnittes des ersten feinen Stromes aus der viskosen Substanz, welche die Achse des ersten feinen Stromes kreuzt, und

(B) eine Komponente, die sich zunächst graduell der Achse des ersten feinen Stromes in der Strömungsrichtung des viskosen Materials annähert und sich dann graduell von dieser Achse wegbewegt,

(3) ein zweiter Hochgeschwindigkeitsgasstrom gegen den zweiten feinen Strom mit der verringerten Querschnittsfläche quer zur Achse des ersten feinen Stromes aus dem viskosen Material an einer Stelle stromabwärts von derjenigen Stelle, an der sich der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom am stärksten der Achse des ersten feinen Stromes aus dem viskosen Material annähert, betrachtet in Strömungsrichtung des viskosen Materials, geblasen wird und den zweiten feinen Strom dadurch weiterhin verdünnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß weiterhin eine Stufe vor der Stufe (3) ausgeführt wird, bei der eine Mehrzahl von Hilfs-Hochgeschwindigkeitsgasströmen mit einem zweiten Konvergenzpunkt in nächster Nähe der Achse des ersten feinen Stromes unterhalb des ersten Konvergenzpunktes oder im wesentlichen parallel zur Achse der Austrittsöffnung bzw. des Ausströmungsmundstückes aus einer Mehrzahl von Hilfs-Gasstrahldüsen geblasen wird, die von den vorstehenden mindestens drei Gasstrahldüsen nach auswärts angebracht sind, wodurch diese veranlaßt werden, den durch den ersten Hochgeschwindigkeitsgasstrom gebildeten zweiten feinen Strom zu treffen, bevor dieser mit dem zweiten Hochgeschwindigkeitsgasstrom wesentlich in Berührung kommt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Hochgeschwindigkeitsgasstrom aus einem Hochtemperaturgas besteht, welches durch Verbrennen eines Brennstoffes mit einem an

molekularem Sauerstoff angereicherten Gas mit einem Gehalt von mindesten 22 Vol.? an molekularem Sauerstoffgas hergestellt wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Hochgeschwindigkeitsgasstrom eine größere kinetische Energie je Einheitsvolumen besitzt als der zweite Hochgeschweindigkeitsgasstrom.