DE4231354A1

DE4231354A1 - Verfahren zur herstellung eines faseraggregates

Info

Publication number: DE4231354A1
Application number: DE4231354A
Authority: DE
Inventors: Takashi Yoshida; Tomohito Ito; Fukuo Gomi; Hidetoshi Hirai
Original assignee: Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1991-09-21
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2012-09-19
Also published as: GB9219902D0; JP2591379B2; JPH0586568A; GB2259721A; US5298203A; GB2259721B; DE4231354C2

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.

Erste Ausführungsform

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.

Zweite Ausführungsform

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

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.

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.