DE4100925C2 - Verfahren zur Behandlung von Faserstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Behandlung von Faserstücken jeglicher Form im Produktionsmaßstab, insbeson­ dere von Langfasern, Kurzfasern oder dergleichen, die als Verstärkungsmittel anderen Werkstoffen beigemischt werden.

Es ist bekannt, Verbundwerkstoffe, insbesondere faserver­ stärkte Werkstoffe herzustellen, die aus einer Matrix und einem in diese eingebetteten Verstärkungsmaterial bestehen. Bei derartigen Verbundwerkstoffen kann das eingelagerte Material aus solchen Faserstücken bestehen, die an ihren Enden abgerundet und verdickt sind. Ein derartiger Verbund­ werkstoff hat höhere mechanische Gütewerte. Bei abgerundeten Enden ist die Kerbwirkung am Ende der Faserstücke nicht mehr vorhanden oder zumindest sehr klein, so daß ein Rißbeginn erst bei höheren Belastungen auftreten kann. Diese Erkenntnis ist darauf zurückzuführen, daß eingelagerte Fasern mit gerun­ deten und/oder verdickten Enden, statt scharfkantiger Enden, die durch Brechen, Schneiden oder dergleichen verursacht werden, geringere Spannungsspitzen in der sie umgebenden Matrix im Bereich dieser Enden und somit eine geringere Kerbwirkung zur Folge haben. Obwohl diese Vorteile bekannt sind, ist es bisher nicht möglich gewesen, Faserstücke, insbesondere Langfasern, Kurzfasern oder dergleichen, und insbesondere solche aus Glasfasermaterial, die die gewünsch­ ten gerundeten und/oder verdickten Enden haben, auf wirt­ schaftliche Weise großserienmäßig herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzubieten, die die Behandlung von Faserstücken großtechnisch erlaubt, die an ihren freien Enden Rundungen und/oder Verdickungen aufweisen sollen.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angege­ bene Verfahren gelöst. Da­ durch, daß man die gerundeten und/oder verdickten Enden der Faserstücke durch eine thermische Behandlung in einer Gas- Feststoffströmung im Bereich der Schmelztemperatur der Fasern erzeugt, ist es möglich, einzelne Fasern, ohne daß sie je miteinander verkleben großtechnisch in wirtschaftlicher Weise, kostengünstig und in reproduzierbarer Qualität herzu­ stellen. Werden Fasern, die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurden in Verbundwerkstoffen bzw. anderen Bautei­ len eingesetzt, so werden die mechanischen Gütewerte und Eigenschaften dieser Materialien erheblich verbessert.

In Ausgestaltung der Erfindung werden die zu be­ handelnden Fasern einer Vorrichtung zugeführt, in die ein Fördergas über einen Fördergaseinlaß einströmt, wobei das Fördergas mit den Fasern ein Gas-Feststoffgemisch bildet.

Dies hat den Vorteil, daß die als Haufwerk vorliegenden Fasern störungsfrei transportiert werden können und innerhalb der thermischen Behandlung einem intensiven Wärmeaustausch aussetzbar sind. Über den Fördergaseinlaß können die einzel­ nen Fasern innerhalb der Transportstrecke beschleunigt wer­ den. Dabei ist es möglich, daß schon das Fördergas mit einer erhöhten Temperatur in die Vorrichtung einströmt. In der Erwärmungszone werden die Fasern thermisch so behandelt, daß sie im Endzustand eine kugelige Form aufweisen oder ihre Enden abgerundet oder verdickt sind.

In einem bevorzugten Verfahrensschritt wird das Faser-Förder­ gas-Gemisch einer direkten Wärmebe­ handlung eines Brenners ausgesetzt.

Dies hat den Vorteil, daß nahezu verlustfrei und sehr effek­ tiv die thermische Behandlung der einzelnen Fasern erfolgen kann.

In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt strömt das thermisch behandelte Faser-Fördergas-Gemisch in eine Abkühl­ zone.

Nach Verlassen der Erwärmungszone können die Fasern in einer Beschichtungsvorrichtung einer zusätzlichen Oberflächenbe­ schichtung ausgesetzt werden (Schlichtenebel).

Nach der thermischen Behandlung wird das gekühlte bzw. noch zusätzlich behandelte Fasermaterial einer Abscheideeinrich­ tung zugeführt, in der das Fördergas von den einzelnen Faser­ stücken getrennt wird. Das Fördergas kann je nach Bedarf im Kreislauf und/oder über eine Reinigungsstufe zugeführt werden. Das in der Abscheideeinrichtung anfallende Gut von Faserstücken, die an ihren Enden abgerundet bzw. verdickt sind, ist geeignet, um Werkstoffen beigemischt zu werden, damit die mechanischen Gütewerte bzw. deren Eigenschaften verbessert werden.

Die Längen der einzelnen Zonen sind den jeweiligen Bedürfnis­ sen anzupassen, so daß sich die rechnerisch bzw. im Pilotmaß­ stab ermittelten benötigten mittleren Verweilzeiten des Gas- Feststoffgemisches in der Vorrichtung ergeben.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung.

Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens teilweise stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen. Die Gegenstände in den einzelnen Figuren sind so dargestellt, daß ihr Aufbau gut gezeigt werden kann.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Faserbehandlung, mit einem Fördergaseinlaß (bei 23) und einem Faserzugabestutzen 11. Über den Fördergaseinlaß strömt Fördergas in die Vor­ richtung 10 ein und über den Faserzugabestutzen 11 werden die als Schüttgut vorliegende zu behandelnden Faserstücke in die Vorrichtung 10 eindosiert. Die Massenströme des Fördergases bzw. des Faserschüttgutes errechnen sich aus der benötigten mittleren Verweilzeit in einer Vorwärmezone 12 und/oder einer Erwärmungszone 14. Das in der Vorwärmezone 12 entste­ hende Gas-Feststoffgemisch wird der Erwärmungszone 14 zuge­ führt, die an die Vorwärmezone 12 angrenzt. Das Gas-Fest­ stoffgemisch durchströmt die Erwärmungszone 14 und tritt dann in eine Abkühlzone 15 ein.

Die Abkühlzone 15 geht über in eine Abscheideeinrichtung, in der das Gas-Feststoffgemisch getrennt wird. Die behandelten Faserstücke mit gerundeten bzw. verdickten Enden oder in einer kugelförmigen Ausbildung werden in einem Auffangbe­ hälter 19 aufgefangen und das Fördergas wird über eine Reini­ gungsvorrichtung 18 aus der Abscheideeinrichtung heraus­ geführt. Je nach Bedarf kann das über die Reinigungsvorrich­ tung 18 aus tretende Fördergas im Kreislauf geführt werden bzw. es wird einer weiteren Reinigung bzw. Aufbereitung (thermisch) zugeführt.

Durch den Fördergaseinlaß strömt das Fördergas in Pfeilrich­ tung 23 in die Vorrichtung 10 ein. Die Faserstücke 24 treten durch die Zuführstrecke 11 in die Vorrichtung 10 ein. Sobald sich die Faserstücke und das Fördergas vermischt haben, wird das Gas-Feststoffgemisch der Erwärmungszone 14 zugeführt. In der Fig. 1 ist beispielhaft mit 24 ein Einzelfaserstück gezeigt, das für eine thermische Behandlung vorgesehen ist.

Mit 25 ist ein thermisch behandeltes Faserstücke gekennzeich­ net, das abgerundete bzw. verdickte freie Enden aufweist.

An die Erwärmungszone 14 schließt sich eine Abkühlzone 15 an, damit bei Bedarf das Gas-Feststoffgemisch gekühlt werden kann. Gekühlt wird bevorzugt deshalb, damit die Fasern nicht gegenseitig verkleben oder verschweißen oder an Innenoberflä­ chen der Förderstrecke anhaften.

In Fig. 2 ist verdeutlicht, daß man die Faserstücke 124 z. B. vertikal durch eine entsprechend angeordnete, also etwa vertikale, Erwärmungszone 114 hindurchführen kann. In dieser hier vertikalen, aufrechtstehenden Erwärmungszone 114 wird ein rotierender Heißgasstrom 123 in einer zylindrischen Erwärmungszone 114 erzeugt, was durch Pfeile 123 verdeutlicht ist. Diese hier vertikal gerichtete zylindrische Erwärmungs­ zone 114 ist aus einem Zylinder mit isolierten Wänden gebil­ det und durch diesen begrenzt. Der rotierende Heißstrom 123 wird dadurch erzeugt, daß ein Heißgas durch einen angedeu­ teten Stutzen mit tangentialer Geschwindigkeitskomponente in die Erwärmungszone 114 eingeführt, z. B. eingeblasen, wird. Das Heißgas hat im Innern der Erwärmungszone 114 die ge­ wünschte Temperatur. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Faserstücke 124 etwa in Richtung der Achse des rotieren­ den Heißgasstromes 123 und/oder parallel dazu und/oder im rotierenden Heißgasstrom 123 durch die Erwärmungszone 114 hindurchgeführt. Da die Erwärmungszone 114 hier aufrecht steht, also etwa vertikal verläuft, geschieht die Hindurch­ führung der Faserstücke 124 in etwa vertikaler Richtung.

Es versteht sich, daß man bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel den rotierenden Heißgasstrom 123 auch innerhalb einer horizontalen oder schräg verlaufenden Erwär­ mungszone erzeugen und dann die Faserstücke in dieser Rich­ tung durch diese Erwärmungszone hindurchführen kann.

Beim Beispiel gemäß Fig. 2 werden die Faserstücke 124 etwa in Richtung des rotierenden Heißgasstromes 123 von oben her der Erwärmungszone 114 zugeführt und in der gleichen Richtung, also in etwa vertikaler Richtung, aus der Erwärmungszone 114 unten abgeführt. Durch die aufrechtstehende Anordnung der Erwärmungszone 114 und den darin erzeugten, aufrechtstehen rotierenden Heißgasstrom 123, der um eine etwa aufrechte Achse rotiert, kann man somit die Faserstücke 124 von oben her, z. B. durch Schwerkraft, der Erwärmungszone 114 zuführen. Die Faserstücke 124 können z. B. durch Schwerkraft von oben her in die Erwärmungszone 114 hineinfallen. Dann werden die Faserstücke 124 mehr oder weniger lang und intensiv vom rotierenden Heißgasstrom 123 in Rotationsrichtung und/oder vertikaler Richtung mitgenommen. Die Faserstücke 124 bewegen sich z. B. aufgrund der Schwerkraft somit durch den rotieren­ den Heißgasstrom 123, und dabei von oben nach unten hindurch. Während dieser Phase werden an den Enden der Faserstücke 124 Rundungen und/oder Verdickungen 125 erzeugt. Die mit diesen verdickten und/oder abgerundeten Enden 125 versehenen Faser­ stücke 124 werden dann am unteren Ende aus der Erwärmungszone 114 abgeführt, z. B. in vertikaler Richtung und beispielsweise ebenfalls durch Schwerkraft. Dann können die Faserstücke 124 in einer z. B. darunter befindlichen Auffangstation 119 gesam­ melt werden.

Als Schmelztemperatur ist im Sinne des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens auch eine Temperatur zu verstehen, bei der die zu be­ handelnden, nicht schmelzbaren Faserstücke eine stark redu­ zierte Viskosität aufweisen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß beim Anschmelzen oder Aufschmelzen der Enden der Faserstücke 24 sich diese Enden auf Grund der hohen Oberflächenspannung des Materials der Faserstücke 24, vor allem von Glas, sich selbst abrunden und/oder verdicken. Die endseitigen Abrundungen und/oder Verdickungen 25 der Faser­ stücke 24 machen diese Faserstücke 24 besonders gut für die Herstellung von faserverstärkten Werkstoffen und Bauteilen geeignet, deren mechanische Gütewerte, z. B. Elastizitäts­ modul und Kerbschlagzähigkeit, um etwa 70% auf Grund solcher Faserstücke 24, verbessert werden. Dies liegt daran, daß die Faserstücke 24 mit abgerundeten und/oder verdickten Enden 25 anstelle scharfkantiger Enden, die z. B. beim Brechen oder Schneiden erzeugt werden, geringere Spannungsspitzen an ihren Enden in der sie umgebenden Matrix und somit eine geringere Kerbwirkung verursachen.

In der Erwärmungszone 14 werden die Faserstücke 24 Temperaturen im Bereich der Schmelztemperatur der Teilchen oder Fasern ausgesetzt. Die in der Erwärmungszone 14 bzw. in mehreren hintereinander geschalteten Wärmeeinrichtungen 12, 14 erzeugte Schmelztemperatur richtet sich im wesentlichen nach den zu behandelnden Bestandteilen in den Faserstücken. Je nach Material der Faserstücke sind auch höhere Tempera­ turen denkbar.

Es versteht sich, daß statt aus Glasfasern bestehende Faser­ stücke 24 auch solche aus anderen Materialien in entsprechen­ der Weise behandelt werden können, so z. B. solche aus ver­ netzten, nicht schmelzbaren Grundstoffen oder aus schmelzba­ ren Kunststoffen. Hierbei können die Faserstücke aus Polyamid, Aramid, Polyester, Polyethylen oder dergleichen bestehen. Auch Steinfasern, Quarzkörner, Metallpartikel oder Metallfasern können nach dem Erfindungsgedanken behandelt werden. Es ist von Vorteil, wenn die zu behandelnden Faser­ stücke einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 20 µm, vorzugs­ weise einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 15 µm aufwei­ sen. Sind die Faserstücklängen kleiner als 0,1 mm, insbeson­ dere Glasmehl, so werden sie beim Durchströmen der Erwär­ mungseinrichtung zu kugelförmigen Teilen umgeschmolzen. Kugelförmig gestaltete Teile in einer Matrix eines Faserver­ bundwerkstoffes haben den Vorteil, daß die Kerbwirkung im Verbundwerkstoff, insbesondere im daraus hergestellten Bau­ teil, noch weiter reduziert wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Behandlung von Faserstücken im Produktions­ maßstab, insbesondere von Langfasern, Kurzfasern oder dergleichen, deren freie Enden (25) in einer Gas-Feststoff­ strömung derart einer thermischen Behandlung im Bereich der Schmelztemperatur der Fasern (24, 124) ausgesetzt werden, daß die Enden (25) der einzelnen Fasern (24, 124) gerundet und/oder verdickt werden und die Fasern (24, 124) nach der thermischen Behandlung weiterhin einzeln im Haufwerk vorliegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas-Feststoffströmung vom der Erwärmungszone (14) zumindest durch eine Vorwärmezone (12) hindurchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Faser-Fördergas-Gemisch einer direkten Wärmebe­ handlung in der Erwärmzone (14) eines Brenners ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das thermisch behandelte Faser-Förder­ gas-Gemisch in eine Abkühlzone (15) strömt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Faser-Fördergas-Gemisch nach der thermischen Behandlung einer Abscheideeinrichtung zuge­ führt wird.