DE3872983T2 - METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUSLY SPREADING BUNCHES OF FRAGILE FILAMENTS. - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUSLY SPREADING BUNCHES OF FRAGILE FILAMENTS.Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Ausbreiten von Fasern, die aus mehreren Filamenten zusammengesetzt sind, anwendbar, vor allem aber nicht ausschließlich, für zerbrechliche Filamentsträhnen.The present invention relates to a method and a device for continuously spreading fibers composed of several filaments, applicable especially but not exclusively to fragile filament strands.
Der Begriff "Filamentsträhne" wird in der vorliegenden Erfindung verwendet, um Elementebündel zu bezeichnen, wie etwa Fäden von großer Länge. Anzumerken ist, daß jedoch häufig der Begriff "Faser" verwendet wird, wahrscheinlich fälschlicherweise, in verschiedenen Sektoren der Industrie.The term "filament strand" is used in the present invention to designate bundles of elements, such as threads of great length. It should be noted, however, that the term "fiber" is often used, probably erroneously, in various sectors of industry.
Die Karbonfilamentsträhnen, wie auch andere Typen von Strähnen langer Filamente (Glas, Siliziumkarbid, Aluminium,...) sind von großem Interesse für Endlosverstärkung bei Kompositwerkstoffen mit organischer oder metallischer Matrix.Carbon filament strands, as well as other types of long filament strands (glass, silicon carbide, aluminum,...) are of great interest for continuous reinforcement in composite materials with organic or metallic matrix.
Die Herstellung solcher Matrixen kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Jedoch besteht in den meisten Fällen das Problem der Imprägnierung des Inneren der Filamentsträhne. Tatsächlich kann ein Kompositwerkstoff von guter Qualität nur realisiert werden, wenn jedes der einzelnen Filamente, aus denen die Strähne besteht, in angemessener Dicke umhüllt ist mit dem Material, das die Matrix bildet.Such matrices can be manufactured in various ways. However, in most cases, there is the problem of impregnating the interior of the strand of filaments. In fact, a good quality composite material can only be produced if each of the individual filaments that make up the strand is coated with an appropriate thickness of the material that forms the matrix.
Im Falle eines Komositwerkstoffes, gebildet aus einer organischen Matrix, verstärkt durch eine Filamentarmierung, durchläuft der Herstellungsprozeß des Werkstoffs eine Imprägnierphase der Filamentsträhnen, wobei diese Phase wesentlich verbessert wird, wenn das Verstärkungsmaterial sich in der Form eines Bandes ausgebreiteter Filamentsträhnen präsentiert (besonders dann, wenn die Matrixe ein thermoplastisches Harz ist).In the case of a composite material formed from an organic matrix reinforced by a filamentary reinforcement, the manufacturing process of the material involves an impregnation phase of the filamentary strands, a phase which is considerably improved when the reinforcement material is in the form of a band of extended filamentary strands (especially when the matrix is a thermoplastic resin).
Wenn hingegen die Matrixe metallisch ist, kann das Herstellungsverfahren in drei Hauptkategorien klassifiziert werden.If, however, the matrix is metallic, the manufacturing process can be classified into three main categories.
Die erste Kategorie entspricht den Verfahren in der festen Phase, die im allgemeinen verbunden sind mit einer Warmkomprimierung. Die Floße aus vorher ausgebreiteten Filamenten werden abwechselnd mit Metallbändern aufgeschichtet; die so gebildete Vorform erfährt anschließend eine Verdichtungsoperation (Warmkomprimierung). So erhält man ein Komposit, dessen Qualität direkt abhängig ist vom Ausbreitungszustand der Filamentsträhne.The first category corresponds to the solid phase processes, which are generally associated with hot compression. The rafts of previously spread filaments are stacked alternately with metal strips; the The preform formed is then subjected to a compaction operation (hot compression). This produces a composite whose quality is directly dependent on the state of expansion of the filament strand.
Die zweite Kategorie betrifft die Verfahren in der flüssigen Phase, bei denen die Benetzung der Filamentsträhne erzielt wird durch Benetzungsmittel (z.B. MG&sub3;N&sub2; für eine Magnesiummatrix) oder durch Oberflächenbehandlungen der Filamente (Titan-Bor-Verfahren, alkalische Verfahren, Kieselerde- Verfahren,...) oder auch mit einem starken Infiltrationsdruck.The second category concerns the liquid phase processes in which the wetting of the filament strand is achieved by wetting agents (e.g. MG3N2 for a magnesium matrix) or by surface treatments of the filaments (titanium-boron processes, alkaline processes, silica processes, etc.) or by a strong infiltration pressure.
Die dritte Kategorie schließlich ist die der Dampfbeschichtungsverfahren (PVD). Auch in diesem Fall erfordert die gute Beschichtung der Elementarfilamente wieder eine ausgebreitete Filamentsträhne. Tatsächlich tritt ein Schattenphänomen auf, wenn die einzelnen Filamente nicht ausreichend voneinander getrennt sind, d.h., daß die äußeren Filamente der Strähne beschichtet sind, während die im Zentrum der Strähne befindlichen es nicht sind oder nur sehr wenig. Dieser Mangel an Homogeneität tritt wieder auf während der weiteren Behandlungen des Kompositmaterials, vor allem bei der Warmkomprimierung.Finally, the third category is that of the PVD (PVDC) processes. In this case too, the good coating of the elementary filaments requires a widened strand of filaments. In fact, a shadow phenomenon occurs when the individual filaments are not sufficiently separated from each other, i.e. the outer filaments of the strand are coated, while those in the center of the strand are not or only slightly coated. This lack of homogeneity reappears during the subsequent treatments of the composite material, especially during hot compression.
Es ist somit klar, daß in der Mehrzahl der Fälle (nur das flüssige Verfahren macht eine Ausnahme), die Qualität und die Eigenschaften der fertigen Werkstoffe zum großen Teil von der Imprägnierung der Filamentsträhne abhängen.It is therefore clear that in the majority of cases (only the liquid process is an exception), the quality and properties of the finished materials depend to a large extent on the impregnation of the filament strand.
Deswegen sind seit einigen Jahren zahlreiche Untersuchungen angestellt worden zur Entwicklung von Ausbreitungsverfahren für Filamentsträhnen. Der Artikel "Studies on Ion-Plating process for making carbon fiber reinforced aluminium and properties of the composites" (Masatoshi Yoshida et al. TOHO BESLON Co., Enigma of Eighties vol. 24 Bk2, 24th. National SAMPE Symposium and Exhibition, San Francisco, California, May 8-10, 1979) beschreibt ein Ausbreitungsverfahren für Filamentsträhnen, bei dem die Ausbreitung erzielt wird, indem ein Vibrationen ausgesetzter Luftstrahl auf die Filamentsträhne gerichtet wird. Auch wenn diese Technik sich eignet für Fasern mit mittlerem und hohem Modul, so ist sie doch nicht verwendbar für Fasern mit sehr hohem Modul (d.h. höher als 350 GPa) oder für Filamentsträhnen, die aus Filamenten mit großem Durchmesser bestehen (d.h. in der Größenordnung von 10 bis 40um). Tatsächlich sind diese Filamentsträhnen sehr zerbrechlich wegen ihres erhöhten Moduls und/oder wegen des großen Durchmessers der Filamente, und der Luftstrom hat die Tendenz, diese Filamente abzubrechen. Diese Brüche können sogar über kurz oder lang zu einem Bruch der Filamentsträhne führen, was verhängnisvoll ist bei einem kontinuierlichen Prozeß.For this reason, numerous studies have been carried out in recent years to develop filament strand spreading processes. The article "Studies on Ion-Plating process for making carbon fiber reinforced aluminium and properties of the composites" (Masatoshi Yoshida et al. TOHO BESLON Co., Enigma of Eighties vol. 24 Bk2, 24th. National SAMPE Symposium and Exhibition, San Francisco, California, May 8-10, 1979) describes a filament strand spreading process in which spreading is achieved by directing a jet of air subjected to vibration onto the filament strand. Although this technique is suitable for medium and high modulus fibers, it is not applicable for very high modulus fibers (i.e. higher than 350 GPa) or for filament strands made of large diameter filaments. (ie in the order of 10 to 40 µm). In fact, these strands of filament are very fragile because of their high modulus and/or because of the large diameter of the filaments, and the air flow tends to break these filaments. These breaks can even lead to a breakage of the strand of filament in the short or long term, which is disastrous in a continuous process.
Außerdem kennt man aus dem Dokument GB-A-1 177 078 ein Verfahren und eine Vorrichtung für das kontinuierliche Ausbreiten einer Filamentsträhne, so wie erwähnt in den Präambeln der Ansprüche 1 bzw. 8. Dieses Verfahren bringt, ganz oder teilweise, einen Kontakt der Fasern mit einem festen Körper mit sich, der aus konvexen Flächen besteht, mit Referenz 6 bezeichnet in diesem Dokument. Dieser Kontakt ist völlig unsachgemäß bei der Anwendung eines solchen Prozesses für zerbrechliche Filamentsträhnen.Furthermore, from the document GB-A-1 177 078 a process and a device for the continuous spreading of a strand of filaments, as mentioned in the preambles of claims 1 and 8 respectively. This process involves, in whole or in part, a contact of the fibres with a solid body consisting of convex surfaces, designated by reference 6 in this document. This contact is totally inappropriate when applying such a process to fragile strands of filaments.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung für das kontinuierliche Ausbreiten von Filamentsträhnen vorgeschlagen werden, die es ermöglichen, problemlos die Filamente einer zerbrechlichen Filamentsträhne zu trennen, unabhängig davon, ob diese Zerbrechlichkeit von einem sehr hohen Elastizitätsmodul herrührt oder von einem großen Durchmesser der Filamente.The purpose of the present invention is to eliminate these disadvantages by proposing a method and a device for the continuous spreading of strands of filaments which make it possible to easily separate the filaments of a fragile strand of filaments, regardless of whether this fragility results from a very high elastic modulus or from a large diameter of the filaments.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus folgenden Schritten, die darin bestehen:The method according to the invention consists of the following steps, which consist in:
(a) die Filamentsträhne durch das Innere einer Masse einer ersten Flüssigkeit zu führen und simultan:(a) passing the filament strand through the interior of a mass of a first liquid and simultaneously:
(b) einen Strahl einer zweiten Flüssigkeit auf die Filamentsträhne zu richten in einem Punkt, der innerhalb der Masse der ersten Flüssigkeit liegt.(b) directing a jet of a second liquid onto the filament strand at a point lying within the mass of the first liquid.
Erfindungsgemäß wird die zweite Flüssigkeit mit einem solchen Druck auf die Filamentsträhne gespritzt, daß sie selbst einen Druck erzeugt, der die Trennung der Filamente bewirkt, wobei die Filamentsträhne unter Spannung gehalten wird zwischen einer Rolle über welche die Filamentsträhne läuft, flußaufwärts von dem Punkt wo die zweite Flüssigkeit gespritzt wird, und einer Aufnahmespule, flußabwärts von diesem Punkt.According to the invention, the second liquid is sprayed onto the strand of filaments with such a pressure that it itself generates a pressure which causes the separation of the filaments, the strand of filaments being held under tension between a roller over which the strand of filaments runs, upstream of the point where the second liquid is sprayed, and a take-up spool, downstream of this point.
(c) Aufwickeln der Filamentsträhne, nachdem sie ausgebreitet wurde, auf eine Aufnahmespule.(c) Winding the strand of filament, after it has been spread out, onto a take-up spool.
Vorzugsweise verwendet man die erste Flüssigkeit selbst auch als zweite Flüssigkeit, indem man die auf die Filamentsträhne gespritzte Flüssigkeit aus der Masse der ersten Flüssigkeit entnimmt und mit dieser somit eine Rückführung durchführt.Preferably, the first liquid itself is also used as the second liquid by taking the liquid sprayed onto the filament strand from the mass of the first liquid and thus carrying out a return process with it.
Das Spritzen einer Flüssigkeit auf einen Punkt der Filamentsträhne führt dazu, daß sich auf der Filamentsträhne ein Druck aufbaut. Dieser Druck erzeugt eine Spannung auf der Filamentsträhne, die seine Ausbreitung bewirkt und folglich die Trennung der Filamente.Spraying a liquid onto a point on the filament strand causes pressure to build up on the filament strand. This pressure creates tension on the filament strand, causing it to spread and, consequently, the filaments to separate.
Der Vorteil, den die Verwendung einer Flüssigkeit anstatt eines Gases mit sich bringt, ist folgender: der von der Flüssigkeit auf die Filamentsträhne ausgeübte Druck ist höher, auch wenn ihre Strömungsgeschwindigkeit klein ist. Im Gegensatz dazu, im Fall eines Gases, ist ein höherer Druck notwendigerweise mit einer größeren Strömungsgeschwindigkeit verbunden, was gleichbedeutend ist mit starken Turbulenzen, was zu vielfältigen und heftigen Stößen zwischen den verschiedenen Filamenten führt, was schließlich die Filamentsträhne zum Reißen bringt.The advantage of using a liquid instead of a gas is that the pressure exerted by the liquid on the strand of filament is higher, even if its flow rate is low. In contrast, in the case of a gas, a higher pressure is necessarily associated with a higher flow rate, which is synonymous with strong turbulence, leading to multiple and violent impacts between the various filaments, which ultimately causes the strand of filament to break.
Durch die Verwendung einer Flüssigkeit macht man sich frei von den durch diese Turbulenzen geschaffenen Problemen und kann durch einen Dämpfungseffekt die Stöße zwischen den Filamenten begrenzen, bei Aufrechterhaltung eines ausreichenden Vibrationsniveaus, das nötig ist für eine gute Ausbreitung.By using a liquid, one gets rid of the problems caused by these turbulences and, through a damping effect, one can limit the impacts between the filaments while maintaining a sufficient level of vibration necessary for good propagation.
Die Tatsache, daß mit der ersten Flüssigkeit selbst gespritzt wird, um die Ausbreitung der Filamentsträhne zu bewirken, erlaubt den Raumbedarf der Installation zu reduzieren, und die Masse der ersten Flüssigkeit konstant zu halten in dem Behälter, wo der Prozeß abläuft. Auch kann man die so zurückgeführte Flüssigkeit filtern und ausreichend sauber halten, damit nicht Fäserchen, die sich von der Filamentsträhne lösen könnten, das Zikulationssystem beschädigen.The fact that the first liquid itself is sprayed to cause the filament strand to spread allows the installation space to be reduced and the mass of the first liquid to be kept constant in the tank where the process takes place. The liquid thus returned can also be filtered and kept sufficiently clean so that any flakes that could detach from the filament strand do not damage the circulation system.
Nach einer anderen Charakteristik des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die erste und/oder zweite Flüssigkeit destilliertes Wasser, Hexan, Alkohol, ... sein und auf konstanter Temperatur gehalten werden, um jede Veränderung zufälliger Parameter zu vermeiden.According to another characteristic of the process according to the invention, the first and/or second liquid can be distilled water, hexane, alcohol, ... and can be kept at a constant temperature in order to avoid any variation of accidental parameters.
Eventuell kann das Verfahren einen zusätzlichen Schritt enthalten, ausgeführt vor Schritt (a), der darin besteht, die Filamentsträhne zu entschlichten, wenn diese von einem organischen Bindemittel umhüllt ist.The method may optionally include an additional step, carried out before step (a), consisting in To desize a filament strand when it is coated with an organic binder.
Man kann außerdem die erste Flüssigkeit vibrieren lassen, um die Ausbreitung weiter zu verbessern, z.B. mittels Ultraschall. Schließlich, falls die Filamentsträhne verdrillt ist, kann man einen weiteren Schritt vorsehen, ausgeführt vor Schritt a), der darin besteht, einem Rückdrehungs-Arbeitgang durchzuführen.It is also possible to vibrate the first liquid to further improve spreading, for example by means of ultrasound. Finally, if the strand of filament is twisted, it is possible to provide for a further step, carried out before step a), which consists in carrying out a re-twisting operation.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung für die Ausführung dieses Verfahrens, die besteht aus:The invention also relates to a device for carrying out this method, which consists of:
- einer Wanne, dazu geeignet eine erste Flüssigkeit aufzunehmen;- a tank suitable for containing a first liquid;
- Mittel um die Filamentsträhne das Innere dieser ersten Flüssigkeit durchlaufen zu lassen.- Means to allow the strand of filament to pass through the interior of this first liquid.
Erfindungsgemäß enthält sie:According to the invention, it contains:
- Mittel um einen Fluß einer zweiten Flüssigkeit auf die Filamentsträhne zu richten auf einem Punkt, der sich innerhalb der ersten Flüssigkeit befindet, wobei diese Mittel enthalten:- means for directing a flow of a second liquid onto the filament strand at a point located within the first liquid, said means comprising:
- eine Pumpe;- a pump;
- eine erste Leitung mit einem ersten Ende, das sich innerhalb der in der Wanne enthaltenen Flüssigkeit befindet und ein zweites Ende, das in diese Pumpe mündet;- a first conduit having a first end located inside the liquid contained in the tank and a second end opening into said pump;
- eine Düse, angeordnet innerhalb der ersten Flüssigkeit, so daß sie Flüssigkeit auf die Filamentsträhne spritzt in dem genannten, innerhalb der ersten Flüssigkeit befindlichen Punkt; und- a nozzle disposed within the first liquid so as to spray liquid onto the strand of filament at said point within the first liquid; and
- eine zweite Leitung, welche die Pumpe mit dieser Düse verbindet, wobei die Pumpe die erste Flüssigkeit durch die erste Leitung ansaugt und durch die zweite Leitung und die Düse ausstößt;- a second line connecting the pump to this nozzle, the pump sucking the first liquid through the first line and ejecting it through the second line and the nozzle;
- Mittel um die Filamentsträhne unter Spannung zu halten zwischen zwei Punkten, die sich zu beiden Seiten des Punktes befinden, auf den der Fluß der zweiten Flüssigkeit gerichtet wird, wobei diese Mittel enthalten:- means for keeping the strand of filament under tension between two points located on either side of the point to which the flow of the second liquid is directed, said means comprising:
- eine Rolle über welche die Filamentsträhne läuft, flußaufwärts von dem Punkt, wo die zweite Flüssigkeit gespritzt wird; und- a roller over which the strand of filament passes, upstream of the point where the second liquid is sprayed; and
- eine Aufnahmespule flußabwärts von diesem Punkt, auf den sich die ausgebreitete Filamentsträhne aufwickelt.- a take-up spool downstream from this point, onto which the extended strand of filament is wound.
Vorteilhafterweise können die Spritzmittel außerdem einen Filter enthalten, um die erste Flüssigkeit zu filtern, die in dem von den Spritzmitteln gebildeten Kreislauf zirkuliert.Advantageously, the spraying means may also comprise a filter for filtering the first liquid circulating in the circuit formed by the spraying means.
Wenn man für die bevorzugte Ausführungsform eine Rolle verwendet, d.h. einen verhältnismäßig langen Zylinder, um die Filamentsträhne flußaufwärts von dem Punkt wo man die zweite Flüssigkeit spritzt zu stützen, würde man den Rahmen der Erfindung nicht verlassen durch Verwendung irgendeines gleichwertigen Systems, wie etwa Walze, Scheibe, Spule, usw.If, for the preferred embodiment, one uses a roller, i.e. a relatively long cylinder, to support the strand of filament upstream of the point where one injects the second liquid, one would not depart from the scope of the invention by using any equivalent system, such as a roller, disk, spool, etc.
Die Vorrichtung muß noch einen Entschlichtungsofen enthalten, den die Filamentsträhne durchläuft, wenn sie mit einem organischen Bindemittel bedeckt ist, ehe sie in die Wanne mit der ersten Flüssigkeit eintaucht.The device must also contain a desizing oven through which the strand of filament passes when it is covered with an organic binder before it is immersed in the tank containing the first liquid.
Man kann auch, um die Ausbreitung zu verbessern, eine Ultaschall-Einrichtung vorsehen, um die in der Wanne enthaltene Flüssigkeit vibrieren zu lassen. Schließlich kann, wenn nötig, die Vorrichtung ein Rückdrehungssystem für die Filamentsträhne enthalten, angebracht flußaufwärts von dem Punkt, wo die zweite Flüssigkeit gespritzt wird.It is also possible, in order to improve the spreading, to provide an ultrasonic device to vibrate the liquid contained in the tank. Finally, if necessary, the device can include a system for rewinding the filament strand, placed upstream of the point where the second liquid is injected.
Die Erfindung wird verständlicher durch die Lektüre der Beschreibung, die folgen wird, gegeben nur zur Veranschaulichung und keineswegs einschränkend, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:The invention will be more clearly understood by reading the description that follows, given purely by way of illustration and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings in which:
- Die Figur 1 ist ein schematischer Aufriß, teilweise geschnitten, der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und- Figure 1 is a schematic elevation, partially sectioned, of the device according to the invention; and
Die Figur 2 ist eine Draufsicht der Wanne der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung.Figure 2 is a plan view of the tub of the device shown in Figure 1.
Wenn man sich auf die Zeichnungen bezieht, sieht man, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche die allgemeine Referenz 10 trägt, sich zunächst zusammensetzt aus einer Spule 12, auf welche die Filamentsträhne, die man ausbreiten will, aufgewickelt ist. Diese Spule ist auf ein Gestell 14 montiert und sie wird in Rotation versetzt in Richtung des Pfeils F, d.h. in die Abwickelrichtung der Filamentsträhne durch ein Antriebssystem 16. Dieses kann beliebig sein, z.B. ein Ketten- oder Zahnriemenantriebssystem wie auf der Zeichnung dargestellt, aber man würde den Rahmen der Erfindung nicht verlassen durch die Verwendung eines gleichwertigen Systems.Referring to the drawings, it can be seen that the device according to the invention, which bears the general reference 10, is firstly composed of a reel 12 on which the strand of filament to be extended is wound. This reel is mounted on a frame 14 and is set in rotation in the direction of arrow F, ie in the unwinding direction of the strand of filament, by a drive system 16. This can be any, eg a chain or toothed belt drive system as shown in the drawing, but one would not depart from the scope of the invention by using an equivalent system.
Anschließend läuft die Filamentsträhne 18 über eine Scheibe oder eine Rolle 20, angebracht am oberen Ende eines Gestells 22 und tritt dann ins Innere eines Entschlichtungsofens 24 ein. Wenn die Filamentsträhne stark verdrillt ist, kann man sie vorher ein Rückdrehungssystem 26 durchlaufen lassen.The strand of filament 18 then passes over a disk or a roller 20 mounted at the top of a frame 22 and then enters the interior of a desizing oven 24. If the strand of filament is heavily twisted, it can be first passed through a re-twisting system 26.
Die Filamentsträhne tritt dann ins Innere einer Wanne 30 ein, die eine Flüssigkeit oder ein geeignetes Lösungsmittel 32 enthält. Dies kann sein, zum Beispiel, destilliertes Wasser, Hexan, Alkohol, ... In dem hier dargestellten Beispiel läuft die Filamentsträhne zunächst über eine erste Rolle 34, die sich im oberen Teil der Wanne befindet, dann unter einer zweiten Rolle 36 durch, angebracht auf einer Höhe unterhalb jener auf der sich Rolle 34 befindet und vollständig eingetaucht in die Flüssigkeit. Die Rollen 34 und 36 befinden sich an einem ersten Ende der Wanne, wohingegen eine Aufnahmespule 38 sich am anderen Ende befindet. Die Filamentsträhne 18, nachdem sie ausgebreitet wurde, wie man weiter unten sehen wird, wickelt sich auf die Aufwickelspule auf, die angetrieben wird in der Richtung des Pfeils G durch einen Motor 40. Die Spule 38 und der Motor 40 können auf ein Gestell 42 montiert sein, wobei der Antrieb der Aufnahmespule 38 durch ein Ketten- oder Zahnriemensystem erfolgt, oder irgendein anderes geeignetes System. Eventuell kann man auf das Gestell 42 eine Spule 44 montieren, auf die ein Streifen aus Aluminiumpapier gewickelt ist für den Fall, wo das Lösungsmittel keine elektrochemische Reaktion zwischen letzerem und der Filamentsträhne hervorruft, oder aus Plastikfilm für die anderen Fälle, jedenfalls darf sich dieser Film nicht im verwendeten Lösungsmittel auflösen. Dieser Streifen dient dazu, die Filamentsträhne einzuhüllen, die sich nach der Ausbreitung auf die Spule 38 aufwickelt.The strand of filament then enters the interior of a tank 30 containing a liquid or a suitable solvent 32. This can be, for example, distilled water, hexane, alcohol, ... In the example shown here, the strand of filament first passes over a first roller 34 located in the upper part of the tank, then under a second roller 36, located at a level below that on which roller 34 is located and completely immersed in the liquid. The rollers 34 and 36 are located at a first end of the tank, whereas a take-up spool 38 is located at the other end. The strand of filament 18, after being spread out, as will be seen below, is wound up on the take-up reel, which is driven in the direction of arrow G by a motor 40. The reel 38 and the motor 40 can be mounted on a frame 42, the drive of the take-up reel 38 being carried out by a chain or toothed belt system, or any other suitable system. A reel 44 can possibly be mounted on the frame 42, on which a strip of aluminium foil is wound in the case where the solvent does not cause an electrochemical reaction between the latter and the strand of filament, or of plastic film in the other cases, in any case this film must not dissolve in the solvent used. This strip serves to wrap the strand of filament, which is wound up on the reel 38 after being spread out.
Die Ausbreitung der Filamentsträhne wird realisiert mittels einer in der Wanne 30 innerhalb der flüssigen Masse 32 angebrachten Düse 48, die so angeordnet ist, daß sie Flüssigkeit in einen Punkt der Filamentsträhne 18 spritzt, der sich innerhalb der Flüssigkeit 32 befindet. Vorzugsweise hat diese Düse einen rechteckigen Querschnitt (z.B. 50 mm X 1 mm) und ihre Längsachse ist rechtwinklig zu der Filamentsträhne ausgerichtet. Eine innerhalb der Wanne angebrachte Pumpe 50 saugt die Flüssigkeit 32 durch eine erste Leitung 52 an, und stößt sie aus in die Düse 48 mittels einer zweiten Leitung 54. Diese Einrichtung ermöglicht es, den Raumbedarf der Installation zu reduzieren und die Menge der in der Wanne 30 enthaltenen Flüssigkeit konstant zu halten dank einer Rückführung dieser Flüssigkeit. Eventuell kann man einen Filter vorsehen, um die so zurückgeführte Flüssigkeit zu reinigen und um eventuell Fäserchen zurückzuhalten, die sich von der Filamentsträhne lösen könnten.The spreading of the filament strand is achieved by means of a nozzle 48 mounted in the tank 30 inside the liquid mass 32, which is arranged so that it sprays liquid into a point of the filament strand 18 which is located inside the liquid 32. Preferably, this nozzle has a rectangular cross-section (eg 50 mm X 1 mm) and its longitudinal axis is oriented perpendicular to the strand of filament. A pump 50 placed inside the tank sucks the liquid 32 through a first pipe 52 and expels it into the nozzle 48 through a second pipe 54. This device makes it possible to reduce the overall size of the installation and to keep the quantity of liquid contained in the tank 30 constant thanks to a return of this liquid. A filter can optionally be provided to clean the liquid thus returned and to retain any flakes that could detach from the strand of filament.
Wie man in Figur 2 sehen kann, verursacht das Spritzen der Flüssigkeit (sei es die in der Wanne enthaltene oder eine andere) einen Druck auf die Filamentsträhne, wobei dieser Druck selbst eine Spannung bewirkt, welche die Trennung der Filamente 58 verursacht. Diese letzteren werden voneinander getrennt, während die Filamentsträhne sich auf die Aufnahmespule 28 aufwickelt.As can be seen in Figure 2, the spraying of the liquid (whether that contained in the tank or another) causes a pressure on the strand of filament, this pressure itself causing a tension which causes the separation of the filaments 58. The latter are separated from one another while the strand of filament is wound onto the take-up spool 28.
Das ganze wird hergestellt aus nichtoxidierendem Stahl, um Korrosionsprobleme zu vermeiden.The whole thing is made of non-oxidizing steel to avoid corrosion problems.
Man sieht noch in den Figuren, daß die Wanne 30 entleert werden kann mittels einer Ablaßeinrichtung 60, vorgesehen an ihrem unteren Teil.It can also be seen in the figures that the tub 30 can be emptied by means of a drain device 60 provided on its lower part.
Man kann die Effizienz der Vorrichtung noch erhöhen, indem man die Flüssigkeit 32 Vibrationen aussetzt, z.B. mit Hilfe eines Ultraschallgeräts 61. In diesem Fall ruht die Wanne auf dem Boden mittels Antivibratinsklötzen 62.The efficiency of the device can be further increased by subjecting the liquid 32 to vibrations, e.g. by means of an ultrasound device 61. In this case, the tank rests on the floor by means of anti-vibration blocks 62.
Nun werden zwei Versuche beschrieben, in denen die Filamentsträhnen-Ausbreitung verwirklicht wurde auf herkömmliche Weise und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.Two experiments are now described in which the filament strand spreading was realized in a conventional manner and with the method according to the invention.
In diesem Beispiel hat man einen Ausbreitungsversuch mit einer Filamentsträhne mit sehr hohem Modul durchgeführt, d.h. einem Modul in der Größenordnung von 700 GPa. Die benutzte Filamentsträhne war eine Faser der Referenz P100, in den Handel gebracht durch die Firma UNION CARBIDE. Der Versuch wurde durchgeführt mit einer Vorrichtung, welche das Prinzip des Gasflusses anwendet, entsprechend der am Beginn der vorliegenden Beschreibung erwähnten herkömmlichen Technik. Man hat festgestellt, daß nicht nur die Filamentsträhne nicht ausgebreitet wird, sondern daß die Operation außerdem eine Beschädigung der Faser mit sich bringt, was zu ihrem Bruch führen kann.In this example, a spreading test was carried out on a filament strand with a very high modulus, ie a modulus of the order of 700 GPa. The filament strand used was a fibre of reference P100, marketed by the company UNION CARBIDE. The test was carried out using a device using the principle of gas flow, according to the conventional technique mentioned at the beginning of this description. It was found that not only the filament strand did not spread but that the operation also causes damage to the fiber, which can lead to its breakage.
Eine Filamentsträhne identisch jener des Beispiels 1 wurde ausgebreitet mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Menge der auf die Filamentsträhne gespritzten Flüssigkeit war in der Größenordnung von 0,5 m³/Stunde. Eine gute Ausbreitung wurde erzielt und kein Bruch der Filamentsträhne ist aufgetreten.A strand of filament identical to that of Example 1 was spread out using a device according to the invention. The amount of liquid sprayed onto the strand of filament was of the order of 0.5 m³/hour. Good spreading was achieved and no breakage of the strand of filament occurred.
Folglich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders interessante Vorzüge auf, denn sie ermöglicht auf sichere und wirksame Weise das Ausbreiten der aus Filamenten zusammengesetzten Strähnen, gleichgültig, ob es sich um zerbrechliche oder unzerbrechliche Filamentsträhnen handelt. Dies wird möglich durch die Tatsache, daß man eine Flüssigkeit in einen Punkt der Filamentsträhne spritzt, der sich schon innerhalb einer flüssigen Masse befindet. Die Verwendung einer Flüssigkeit ermöglicht es, einen höheren hydrostatischen Druck zu erzielen, als er mit einem Gasstrom in der Umgebungsluft erzielt werden kann. Die durch diesen Druck erzeugte Spannung ist folglich größer und die Trennung der Filamente wirkungsvoller. Andererseits wird das Bruchrisiko der Filamente erheblich reduziert, denn es besteht eine Dämpfung der Stöße zwischen Filamenten durch die Flüssigkeit, eine Dämpfung, die zu erzielen nicht möglich ist in der Luft oder in einem Gasstrom. Dank der Erfindung ist die Ausbreitung wirkungsvoll und selbst bei sehr geringen Durchschnittsdicken möglich, d.h. nahe der einlagigen Schicht.Consequently, the device according to the invention has particularly interesting advantages, since it enables strands made up of filaments to be spread out safely and effectively, regardless of whether they are fragile or unbreakable strands. This is made possible by the fact that a liquid is injected into a point on the strand of filaments which is already inside a liquid mass. The use of a liquid makes it possible to obtain a higher hydrostatic pressure than that which can be obtained with a gas flow in the ambient air. The tension generated by this pressure is therefore greater and the separation of the filaments is more effective. On the other hand, the risk of filament breakage is considerably reduced, since the liquid dampens the impacts between filaments, a dampening which cannot be achieved in air or in a gas flow. Thanks to the invention, the spreading is effective and possible even at very low average thicknesses, i.e. close to the single layer.
Außerdem ermöglicht die Tatsache, dieselbe Flüssigkeit, die sich in der Wanne befindet auch auf die Filamentsträhne zu spritzen, den Platzbedarf der Installation zu reduzieren und die Menge der in der Wanne enthaltenen Flüssigkeit konstant zu halten. Das Anbringen eines Filters oder irgendeines anderen Mittels, das die Beseitigung der bei der Ausbreitung auftretenden Fäserchen bewirkt, ist empfehlenswert, um die Flüssigkeit sauber zu halten und eine größere Abnützung der bewegten Teile der Vorrichtung (z.B. der Pumpe) zu vermeiden, ebenso wie eine Ablagerung der Fäserchen auf der ausgebreiteten Filamentsträhne.Furthermore, the fact that the same liquid that is in the tank can also be sprayed onto the strand of filament reduces the installation space and keeps the amount of liquid in the tank constant. The installation of a filter or any other means that eliminates the flakes produced during spreading is recommended in order to keep the liquid clean and to avoid excessive wear on the moving parts of the device (e.g. the pump) and to avoid the flakes being deposited on the strand of filament that has been spread out.
Es muß hier auch der materielle Nutzen dieser Ausbreitungsart gegenüber der pneumatischen Art unterstrichen werden, die einen Unterdruckraum benötigt, um eine Verunreinigung der Umgebungsatmophäre durch Fäserchen während der Ausbreitung zu vermeiden.It must also be emphasized here the material benefit of this type of propagation compared to the pneumatic type which requires a negative pressure room to avoid contamination of the ambient atmosphere by fibers during propagation.
Die Effizienz der Operation kann, wenn nötig, auch erhöht werden durch die Verwendung einer Ultraschalleinrichtung, um die Wanne vibrieren zu lassen.The efficiency of the operation can also be increased, if necessary, by using an ultrasonic device to vibrate the tub.
Schließlich versteht es sich von selbst, daß die Erfindung sich nicht beschränkt auf die hier beschriebene Ausführungsart, sondern daß Varianten möglich sind, ohne deswegen den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann man, auch wenn man in der bevorzugten Ausführungsart die Flüssigkeit aus der Wanne rückführt, um sie auf die Filamentsträhne zu spritzen, auch eine andere Flüssigkeit verwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Der Fachmann wird bezogen auf jeden einzelnen Fall die Art der in der Wanne enthaltenen Flüssigkeit auswählen ebenso wie die Durchlaufgeschwindigkeit der Filamentsträhne, die Position der Düse 48 und die Menge der von ihr gespritzten Flüssigkeit, abhängig von der Art und den mechanischen Eigenschaften der Filamentsträhne. Schließlich kann man, oder auch nicht, den Entschlichtungsofen, das Rückdrehungssystem und das Ultraschallsystem verwenden, und abhängig vom Typ der Filamentsträhne jedes geeignete Mittel verwenden und anwenden, um die Filamentsträhne von der Abgabespule abzuwickeln und auf die Aufnahmespule aufzuwickeln. Für den Fall, daß der Entschlichtungsofen verwendet wird, wählt der Fachmann die Länge und die Temperatur des Ofens in Abhängigkeit von der für die Filamentsträhne angestrebten Ausbreitungsgeschwindigkeit (wobei die Entschlichtungsgeschwindigkeit abhängig ist von der Länge des Ofens, seiner Temperatur ebenso wie von der angewandten Atmosphäre).Finally, it goes without saying that the invention is not limited to the embodiment described here, but that variants are possible without thereby departing from the scope of the invention. For example, even if in the preferred embodiment the liquid is recycled from the tank to be sprayed onto the strand of filament, it is also possible to use another liquid without departing from the scope of the invention. The person skilled in the art will choose, in each specific case, the type of liquid contained in the tank, as well as the speed of passage of the strand of filament, the position of the nozzle 48 and the amount of liquid sprayed by it, depending on the type and mechanical properties of the strand of filament. Finally, the desizing oven, the rewinding system and the ultrasound system may or may not be used, and depending on the type of strand of filament, any suitable means may be used to unwind the strand of filament from the delivery reel and wind it onto the take-up reel. In the event that the desizing oven is used, the skilled person chooses the length and temperature of the oven depending on the spreading speed desired for the filament strand (the desizing speed being dependent on the length of the oven, its temperature as well as on the atmosphere used).
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