DE4231354A1 - Verfahren zur herstellung eines faseraggregates - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines faseraggregatesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines
Faseraggregates.
Ein herkömmliches Verfahren zur HerstelIung eines Faseraggregates,
in welchem die meisten Fasern etwa eindimensional orientiert sind,
ist aus der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 162 062/1987 be
kannt. Nach diesem Verfahren werden Fasern in einem dielektrischen
Fluid dispergiert. Das erhaltene Fluid mit den suspendierten Fasern
wird in ein elektrisches Feld eingebracht, welches in einem Raum
zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode
erzeugt wird. Hierdurch werden individuelle Fasern in dem dielektrischen
Fluid elektrostatisch und eindimensional orientiert. Die elektrostatisch
orientierten Fasern sinken langsam ab und werden durch Abfiltern des
dielektrischen Fluids gesammelt.
Bei dem vorerwähnten herkömmlichen Verfahren besitzt jedoch jede
individuelIe Faser einen unterschiedlichen Oberflächenzustand infolge
des Unterschiedes der Art und des Herstellungsvorganges. Dies führt
dazu, daß die Fasern nicht stabil orientiert werden können, wenn
sie in das elektrische Feld eingebracht werden. Infolgedessen besitzt
das erhaltene Faseraggregat eine schlechte Qualität.
Die Erfindung will hinsichtlich der vorerwähnten Nachteile Abhilfe
schaffen.
Es liegt dementsprechend der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats zur Verfügung zu
stellen, bei welchem jede individuelle Faser eindimensional orien
tiert ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender Film,
der in einem dielektrischen Fluid unlöslich ist, auf der Ober
fläche der individuellen Fasern ausgebildet wird. Die Fasern liegen
in der Form kurzer Fasern, Whiskern oder einer Mischung hieraus vor,
und sie werden in dem dielektrischen Fluid dispergiert. Das erhaltene
Fluid mit den suspendierten Fasern wird in ein elektrisches Feld
eingebracht, welches in einem Raum zwischen einer positiven Elek
trode und einer negativen Elektrode erzeugt wird. Hierdurch werden
individuelle Fasern in den dielektrischen Fluid elektrostatisch
und eindimensional orientiert. Die elektrostatisch orientierten
Fasern setzen sich langsam ab und werden durch Abfiltern des
dielektrischen Fluids gesammelt.
Der vorerwähnte leitende Film kann ein sehr dünner Film sein, um
die Oberfläche einer jeden Faser abzudecken. Bei dem Film kann es
sich um eine einmonekulare Schicht oder einen Absorptionsfilm han
deln. Um den leitenden Film herzustellen, wird ein leitendes Material
wie etwa eine wäßrige Lösung oder ein oberflächenaktives Mittel,
welches in dem dielektrischen Fluid unlöslich ist, auf die Ober
fläche der Fasern aufgebracht. Das Verfahren zum Aufbringen voll
zieht sich wie folgt: Die Fasern und das leitende Material werden
in ein Lösungsmittel eingebracht, in welchem das leitende Material
gelöst ist. Die Mischung wird für eine vorbestimmte Zeitdauer ge
rührt und dann abgefiltert. Nach dem Filtern werden die Fasern
herausgenommen und getrocknet. Die erhaltenen Fasern tragen den
Film auf ihrer Oberfläche.
Bei dem leitenden Material welches in dem dielektrischen Fluid
unlöslich ist, sollte es sich um Wasser handeln, oder wasser-
Iösliches oberflächenaktives Mittel, wenn Silikonöl als dielektrisches
Fluid eingesetzt wird. Wenn Fleon als dielektrisches Fluid Verwen
dung findet, sollte es Öligkeit besitzen. Beispiele für das lei
tende Material, das wasserlöslich ist, umfassen Ply Surf A212E.
Beispiele für das leitende Material, welches Öligkeit besitzt,
umfassen Ply Surf A 207H. Wenn Kohlentetrachlorid, Benzol,
n-Hexan, Zyklohexan oder Fluor-und chlorsubstituierte Kohlen
wasserstoffe als dielektrisches Fluid eingesetzt werden, kann
irgendeines der vorerwähnten leitenden Materialien eingesetzt
werden. Im allgemeinen wird bevorzugt, daß ein großer Unterschied
des Löslichkeitsparameters zwischen dem dielektrischen Fluid und
dem leitenden Material besteht.
Beim Verfahren zur Herstellung des Faseraggregates gemäß der Er
findung werden die Fasern, die mit einem leitenden Film überzogen
sind, in dem dielektrischen Fluid dispergiert, so daß man ein Fluid
mit suspendierten Fasern erhält.
Die vorerwähnten Fasern liegen in der Form kurzer Fasern, Whiskern
oder einer Mischung hieraus vor. Kurze Fasern und Whiskern jeder
Art können zum Einsatz kommen. Sie sind nicht speziell begrenzt
hinsichtlich ihres Durchmessers und ihrer Länge. Es gibt auch
keine Einschränkung hinsichtlich des Materials, solange sie in
der Lage sind, sich in dem dielektrischen Fluid elektrostatisch
zu orientieren, wenn das Fluid mit den suspendierten Fasern in das
elektrische Feld eingebracht wird. Das Material der Fasern um
faßt beispielsweise Tonerde, Silika, Tonerde-Silika, Beryllerde,
Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Glas und Metall.
Bei dem dielektrischen Fluid ist ein Fluid gemeint, welches die
dielektrischen Eigenschaften zeigt nach dem Anliegen einer Spannung.
Beispiele für das dielektrische Fluid umfassen etwa Silikonöl,
Tetrachlorkohlenstoff, Benzol, n-Hexan, Zyklohexan oder Fluor
und chlorsubstituierter Kohlenwasserstoff.
Das vorerwähnte Fluid mit den suspendierten Fasern wird in ein
elektrisches Feld eingebracht, welches in einem Raum zwischen
einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode erzeugt
wird. In dem dielektrischen Fluid werden individuelle Fasern
elektrostatisch orientiert, wobei ein Ende zur positiven Elektrode
hinweist, während das andere Ende zur negativen Elektrode hinge
richtet ist. Stärker bevorzugt sind die elektrostatisch orientierten
Fasern aneinandergereiht und sinken allmählich ab.
Das elektrische Feld, welches in dem Raum zwischen einer positiven
Elektrode und einer negativen Elektrode erzeugt wird, besitzt
normalerweise eine Stärke von etwa 0,1 bis 5 kV/cm. Wenn das
elektrische Feld schwächer ist als 0,1 kV/cm, so reicht dies
nicht aus für die elektrostatische Orientierung der Fasern. Ein
elektrisches Feld, das stärker ist als 5 kV/cm, stört das dielek
trische Fluid und behindert die Orientierung der Fasern. Um eine
Störung des elektrischen Feldes zu verhindern und die elektrostatische
Orientierung der Fasern zu verbessern, liegt die bevorzugte elek
trische Feldstärke bei etwa 1 bis 2 kV/cm. Bei dem elektrischen
Feld handelt es sich vorzugsweise um ein Wechselspannungsfeld
(die Intensität des elektrischen Feldes liegt bei 0,2 bis 1,5 kV/cm
und die Frequenz bei etwa 0,5 bis 1 kHz). Die einzusetzende elek
trische Feldstärke sollte den dielektrischen Eigenschaften der
Fasern und dem einzusetzenden dielektrischen Fluid angepaßt wer
den wie auch der Dicke des zu erzeugenden Faseraggregates.
Die vorerwähnten elektrostatisch orientierten Fasern setzen sich
allmählich ab und sammeln sich zu einem Faseraggregat, bei welchem
die meisten Fasern etwa eindimensional orientiert sind. Die anein
andergereihten Fasern setzen sich schneller ab als einzelne Fasern.
Die Aggregation der Fasern kann durchgeführt werden, indem man sich
die Fasern durch ihre Schwere absetzen läßt. Sie kann auch durch
geführt werden, indem man das dielektrische Fluid filtert in einer
Richtung senkrecht zur Ausrichtung der Fasern. Der Filtervorgang
kann auch durch einen Unterdrucksaugvorgang ausgeführt werden.
Die Absetzzeit der Fasern kann eingestellt werden durch die Stärke
des Sauvakuums.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der leitende Film, der
in dem dielektrischen Fluid unlöslich ist, auf der Oberfläche der
individuellen Fasern ausgebildet. Wenn die Fasern elektrostatisch
orientiert sind, trägt die Oberflächenleitfähigkeit durch den lei
tenden Film zum Ladungsübergang bei. Dieses erhöht die Geschwin
digkeit und das Polarisationsausmaß der individuellen Fasern. Dem
entsprechend wird die Orientierung der Fasern verbessert.
Der vorerwähnte leitende Film löst sich kaum in dem dielektrischen
Fluid, so daß die elektrische Leitfähigkeit des dielektrischen Fluids
sich kaum verschlechtern. Dementsprechend kann die elektrostatische
Orientierung der Fasern nicht leicht gestört werden. Darüber hinaus
kann eine Kreislaufführung des dielektrischen Fluids wirkungsvolI
zur Ausführung kommen.
Wenn der leitende Film aus einem oberflächenaktiven Mittel besteht,
welches in dem dielektrischen Fluid unlöslich ist, verhindert dies,
daß sich die Fasern zusammenballen und stabilisiert die Suspension.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und erfindungswesentliche Merkmale
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Aus
führungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, gemäß welcher die Fasern
in ein Dispersionsmedium eingerührt werden,
Fig. 2 eine schematische Darstellung, gemäß welcher das Disper
sionsmedium gefiltert wird,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung des
Faseraggregates und
Fig. 4 die Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Nach der allgemeinen Beschreibung der Erfindung dient die nach
folgende Erläuterung einem besseren Verständnis der Erfinduung,
ohne daß hierin eine Einschränkung zu sehen ist.
Es sollen nun die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 im Detail erläutert werden.
Nach der ersten Ausführungsform wurden entsprechend der Darstellung
in Fig. 1 SiC-Whisker als Fasern (durchschnittlicher Durchmesser
0,6/µm, durchschnittliche Länge 10 bis 80/µm) in Wasser einge
führt, welches in einem Behälter 1 enthalten war. Das Wasser wurde
als Lösungsmittel eingesetzt. Die Fasern wurden durch ein Rührwerk
2 gerührt und in dem Wasser dispergiert. Ein wasserlösliches ober
flächenaktives Mittel (Ply Surf A212E), welches in dem Dispersions
medium eines (später zu beschreibenden) dielektrischen Fluids un
löslich war, wurde als leitendes Material eingesetzt. Das wasser
lösliche oberflächenaktive Mittel wurde durch eine Beschickungs
einrichtung 3 zugeführt. Das oberflächenaktive Mittel wurde eine
vorbestimmte Zeit lang gerührt und wurde auf der Oberfläche der
Fasern absorbiert.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 wurde das vorerwähnte Wasser
mit den Fasern und dem oberflächenaktiven Mittel in eine Filterein
richtung 4 eingegeben. Dann wurde das Wasser durch einen Filter 6
abgezogen und über ein Ventil 5 freigesetzt.
Die erhaltenen Fasern, die auf dem Filter 6 verblieben, wurden in
einen Trockenbehälter eingegeben. Dann wurden die Fasern 720 Minuten
lang auf 100°C erhitzt und das Wasser als Lösungsmittel wurde
vollständig verdampft und entfernt. Dementsprechend bildete sich
ein Film auf der Oberfläche der Fasern aus. Bei dem leitenden Film
handelt es sich um einen Absorbtionsfilm mit dem oberflächenaktiven
Mittel, welches in dem dielektrischen Fluid unlöslich war.
Eine Vorrichtung zur Herstellung des Faseraggregates ist in Fig. 3
wiedergegeben,und das Verfahren zu dessen Herstellung wird nach
folgend beschrieben.
Ein Behälter 23 wird mit einem suspendierte Fasern enthaltenden
Fluid 22 gefüllt und ist mit einem Rührwerk 22 versehen. Ein
Orientierungsfäß 28 umfaßt einen Aufnahmebehälter 25, einen Frei
gabebereich 26 sowie einen Orientierungsraum 27. Der Aufnahmebe
hälter 25 nimmt das Fluid 22 mit den suspendierten Fasern aus dem
Behälter 23 über ein Ventil 24 auf. Der Freigabebereich 26 setzt
das dielektrische Fluid frei. Der Orientierungsraum 27 ist zwischen
dem Aufnahmebehälter 25 und dem Freigabebereich 26 vorgesehen und
bewirkt, daß sich die Fasern eindimensional ausrichten. Ein Paar
positiver und negativer Elektroden 29 sind vertikal in einem vor
bestimmten horizontalen Abstand voneinander in dem Orientierungsraum
27 des Orientierungsbehälters 28 angeordnet. Eine Spannungsquelle
30 legt eine vorbestimmte Spannung über die positive und die nega
tive Elektrode 29. Ein Ventil 31 stellt die Freigabe des dielektrischen
Fluids von dem Freigabebereich 26 ein. Eine Filterplatte 32 und ein
Filterpapier 33 sind an dem Freigabebreich 26 vorgesehen.
Die vorerwähnten Fasern wurden in ein dielektrisches Fluid (Silikon
öl), welches sich in dem Behälter 23 befand, eingeführt. Das Fluid
wurde durch das Rührwerk 21 gerührt, um ein Fluid mit suspendierten
Fasern zu erhalten.
Ein elektrisches Wechselfeld (die Intensität des elektrischen Feldes
betrug 1 kV/cm, die Frequenz etwa 1 kHz) wurde in dem Raum zwischen
den paarweise angeordneten positiven und negativen Elektroden 29
mit Hilfe der Spannungsquelle 30 aufgebaut. Das Fluid 22 mit den
suspendierten Fasern wurde von dem Behälter 23 in das Aufnahmege
fäß 25 über das Ventil 24 eingeführt. Die positiven und die negativen
Elektrode 29 wurden in das Fluid 22 mit den suspendierten Fasern ein
getaucht. Dies führte dazu, daß die Fasern in dem Fluid 22 mit den
suspendierten Fasern elektrostatisch und eindimensional orientiert
wurden, wobei sie sich aneinander anreihten innerhalb des Orientie
rungsraumes 27.
Das dielektrische Fluid wurde aus dem Freigabebereich 26 über das
Ventil 31 durch die Filterplatte 32 und das Filterpapier 33 ab
geführt. Die vorerwähnten orientierten Fasern setzten sich all
mählich ab und sammelten sich, so daß man das Faseraggregat 34
erhielt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde der leitende Film auf
der Oberfläche der individuellen Fasern ausgebildet. Der Film ver
hinderte, daß sich die Fasern zusammenballten und stabilisierte
die Suspension. Somit wurde die Dispergierbarkeit der Fasern ver
bessert. Nachdem die Fasern elektrostatisch orientiert waren, trug
die Oberflächenleitung durch den leitenden Film zum Ladungsübergang
bei. Dies erhöhte die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Polarisierung
individueller Fasern. Dementsprechend wurde die Orientierung der
Fasern verbessert.
Der vorerwähnte leitende Film besteht aus dem oberflächenaktiven
Mittel, welches in Silikonöl als dielektrischem Fluid unlöslich ist.
Da der leitende Film kaum in dem dielektrischen Fluid gelöst wird,
nimmt die elektrische Leitfähigkeit des dielektrischen Fluids kaum
ab. Dementsprechend kann die elektrostatische Orientierung der
Fasern nicht leicht gestört werden.
Da, wie zuvor beschrieben, die individuellen Fasern kaum durch ihren
Oberflächenzustand beeinflußt werden, verschlechtert sich die Orien
tierung der Fasern kaum, wenn die Fasern elektrostatisch orientiert
wurden. Dementsprechend wurden die Fasern stabil orientiert.
Da darüber hinaus, wie oben beschrieben, das leitende Material kaum
in dem dielektrischen Fluid gelöst wird, verschlechtert sich die
elektrische Leitfähigkeit des dielektrischen Fluids kaum. Dement
sprechend kann die elektrostatische Orientierung der Fasern nicht
leicht gestört werden. Außerdem läßt sich eine Kreislaufführung
des dielektrischen Fluids wirkungsvoll durchführen. Dies wirkt sich
vorteilhaft auf die Kosten und den Schutz der Umgebung aus.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung wurde das gleiche
Verfahren und das gleiche Material wie bei der ersten Ausführungsform
eingesetzt mit der Ausnahme, daß Wasser als leitendes Material ver
wendet wurde statt des wasserlöslichen oberflächenaktiven Mittels.
Entsprechend der Darstellung in Fig. 4 wurden die Fasern in einen
Filter 42 eingebracht, der sich auf einem Behälter 41 befand. Dann
wurde der Behälter 41 in einen thermostatischen Behälter 43 einge
bracht, und 30 Minuten lang bei 70°C erhitzt. Dementsprechend
wurde das Wasser auf die Oberfläche der Fasern aufgebracht.
Die vorerwähnten Fasern wurden eingesetzt zur Herstellung des
Faseraggregates.
Wie zuvor beschrieben, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die individuellen Fasern kaum durch ihren Zustand beeinflußt und
sie können stabil und elektrostatisch orientiert werden. Dement
sprechend ist es möglich, ein Faseraggregat mit einer guten Qualität
herzustellen. Darüber hinaus läßt sich eine Kreislaufführung des
dielektrischen Fluids wirkungsvoll durchführen. Dies ist vorteil
haft im Hinblick auf die Kosten und den Umweltschutz.
Zusammenfassend handelt es sich bei dem Verfahren um die Durchfüh
rung der folgenden Schritte, daß man ein leitendes Material, das in
einem dielektrischen Fluid unlöslich ist, auf die Oberfläche der
Fasern aufbringt, die Fasern in dem dielektrischen Fluid dispergiert
zur Erzielung eines Fluids mit suspendierten Fasern, das Fluid mit
den suspendierten Fasern in ein elektrische Fled einbringt, das in
einem Raum zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen
Elektrode erzeugt wird, wodurch die individuellen Fasern elektro
statisch und eindimensional orientiert werden und die orientierten
Fasern zusammenführt. Das leitende Material trägt zum Ladungsüber
gang bei und bewirkt, daß die Fasern in dem elektrischen Feld stabil
orientiert werden.
Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich angegeben werden,
daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung lediglich um eine
solche beispielhaften Charakters handelt und daß verschiedene Ab
änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregates, bei welchem man
Fasern in einem dielektrischen Fluid dispergiert zur Bildung eines Fluids mit suspendierten Fasern,
das Fluid mit den suspendierten Fasern in ein elektrisches Feld einführt, welches in einem Raum zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode erzeugt wird, wodurch die individu ellen Fasern elektrostatisch und eindimensional orientiert werden, und
die orientierten Fasern zusammenführt zur Bildung eines Faseraggre gates, in welchem die Fasern orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit einem leitenden Material überzogen sind, welches in einem dielek trischen Fluid unlöslich ist.
Fasern in einem dielektrischen Fluid dispergiert zur Bildung eines Fluids mit suspendierten Fasern,
das Fluid mit den suspendierten Fasern in ein elektrisches Feld einführt, welches in einem Raum zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode erzeugt wird, wodurch die individu ellen Fasern elektrostatisch und eindimensional orientiert werden, und
die orientierten Fasern zusammenführt zur Bildung eines Faseraggre gates, in welchem die Fasern orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit einem leitenden Material überzogen sind, welches in einem dielek trischen Fluid unlöslich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das leitende Material ein oberflächenaktives Mittel ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das leitende Material Wasser ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das dielektrische Fluid ausgewählt ist aus der Gruppe
bestehend aus Tetrachlorkohlenstoff, Benzol, n-Hexan, Zyklohexan
und Fluor- und chlorsubstituierten Kohlenwasserstoffen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Feldstärke 0,1 bis 5 kV/cm beträgt.
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