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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf die Herstellung von Glasfaser-Pellets. Insbesondere stellt die
vorliegende Erfindung ein Gerät
zum Herstellen von verdichteten Glasfaser-Pellets durch Kombinieren
von mehreren Segmenten eines zerhackten Mehrfach-Glasfaserstrangs
bereit. Diese Pellets besitzen eine praktische Form für die Lagerung
und Handhabung von zerhackten Glasfasern, die als Verstärkungsmaterial
in Verbundwerkstoffen benutzt werden.
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Zerhackte Glasfasern werden üblicherweise
als Verstärkungsmaterialien
in Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen benutzt. In der
Regel werden solche Fasern durch Ziehen von geschmolzenem Glas durch
einen Düsenring
oder eine Lochblende zu Fäden,
Aufbringen eines Schlichtemittels mit Gleitmitteln, Haftvermittlern
und filmbildenden Bindemittelharzen auf die Fasern, Bündeln der
Fasern in Strängen,
Zerhacken der Faserstränge
in Segmente mit der gewünschten
Länge und
Trocknen des Schlichtemittels hergestellt. Diese zerhackten Strangsegmente
werden anschließend
mit einem polymeren Harz vermischt, und das Gemisch wird in eine
Formteilpresse oder Spritzgießmaschine
gegeben, um daraus Formteile aus glasfaserverstärktem Kunststoff herzustellen.
Im Allgemeinen werden die zerhackten Stränge mit Pellets eines thermoplastischen
Polymers vermischt, und das Gemisch wird in einen Extruder gegeben,
wo das Harz geschmolzen wird, die Integrität der Glasfaserstränge aufgehoben
wird und die Fasern in dem geschmolzenen Harz verteilt werden, ehe
die Dispersion aus Glasfasern und Harz zu Pellets geformt wird.
Diese Pellets werden dann in die Formteilpresse gegeben und zu Formteilen
verarbeitet, die eine im Wesentlichen homogene Verteilung von Glasfasern
aufweisen.
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Leider sind die mit solchen Verfahren
hergestellten zerhackten Glasfasern in der Regel voluminös und weisen
schlechte Fließeigenschaften
auf. Folglich sind derartige Fasern schwierig zu handhaben und verursachen
Probleme in automatischen Verarbeitungsmaschinen.
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Ein Versuch, dieses Problem zu lösen, bestand
darin, die zerhackten Stränge
zu dichteren stabförmigen
Bündeln
oder Pellets zu verdichten, um das Fließvermögen der zerhackten Stränge zu verbessern
und den Einsatz von automatischen Maschinen zum Wiegen und Fördern der
Glasfasern für
das Mischen mit den thermoplastischen Harzen zu ermöglichen.
Ein solches Verfahren ist in US-Patent Nr. 4.840.755 beschrieben, bei
dem feuchte zerhackte Stränge
gerollt werden, vorzugsweise auf einem Schwingförderer, um die Stränge abzurunden
und zu dichteren, zylinderförmigen
Pellets zu verdichten. Obwohl derartige Verfahren und Geräte dichtere,
stärker
zylinderförmige
Pellets ergeben können,
die ein besseres Fließvermögen aufweisen,
unterliegen sie in bestimmten Punkten unerwünschten Einschränkungen.
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So sind zum Beispiel die Pelletgröße und der
Fasergehalt im Allgemeinen durch die Größe und Anzahl der Fasern in
dem zerhackten Strang begrenzt, weil das Verfahren verhindern soll,
dass mehrere zerhackte Strangsegmente aneinander haften bleiben
und Pellets bilden, die mehr Fasern als in einem einzelnen zerhackten
Strang enthalten. Um daher Pellets mit einer geeigneten Schüttdichte
und einem ausreichenden Durchmesser-Längen-Verhältnis zu erhalten, die ein
gutes Fließvermögen aufweisen,
muss der Strang, der zu Segmenten zerhackt wird, aus einer großen Anzahl
von Fasern bestehen. Das Erhöhen
der Anzahl von Fasern, die gebildet und zu einem einzelnen Strang
zusammengefasst werden müssen,
kompliziert diesen Formvorgang jedoch in unerwünschter Weise.
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In einem Versuch, diese Mängel zu überwinden,
beschreibt das US-Patent Nr. 5.578.535 Glasfaser-Pellets, die zwischen
ca. 20 und 30 Prozent dichter als die einzelnen Glasfaserstränge sind,
aus denen sie bestehen, und einen zwischen 5- und 15-mal größeren Durchmesser
haben. Diese Pellets werden hergestellt, indem man geschnittene
Strangsegmente bis zu einem Maß hydratisiert,
das ausreicht, um die Filament- oder Faserbildung zu verhindern,
jedoch nicht ausreicht, um ein Zusammenfügen der Strangsegmente zu Klumpen zu
verursachen, und die hydratisierten Strangsegmente eine ausreichend
lange Zeit mischt, bis Pellets entstehen. Zu den geeigneten Mischverfahren
gehören
auch Verfahren, die dafür
sorgen, dass sich die Fasern übereinander
und umeinander bewegen, z. B. Schleudern, Rühren, Mischen, Umrühren und
Verwirbeln.
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Auch wenn die hier beschriebenen
Pellets mit derart verschiedenen Mischverfahren hergestellt werden
können,
hat sich gezeigt, dass viele dieser Verfahren entweder für einen
industriellen Einsatz nicht effizient genug sind oder sich nicht
angemessen steuern lassen, um ein einheitliches, gleichmäßiges Pellet-Produkt
zu liefern, das den hergestellten Verbundstoffteilen die nötigen Festigkeitseigenschaften
im Vergleich zu Teilen aus nicht pelletierten zerhackten Glasfasersträngen verleiht.
Der Einsatz eines modifizierten Scheibengranulators fuhrt z. B.
oft zu einer übermäßigen Verweilzeit
der gebildeten Pellets im Mischer, was aufgrund des scheuernden
Charakters der sich aneinander reibenden Glasfaser-Pellets ein Zersetzen
der Pellets bewirkt. Dieses Zersetzen der Pellets verringert letztlich
die Festigkeitseigenschaften der daraus hergestellten Formteile.
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Folglich besteht ein Bedarf an einem
effizienten Verfahren zur Herstellung von Pellets, das kontrollierbar
ein einheitliches, gleichmäßiges Glasfaser-Pelletprodukt
ergibt, das gleichwertige Festigkeitseigenschaften wie mit nicht
pelletierten zerhackten Glasfasersträngen in Verbundstoff-Formteilen
liefert. Dieser Bedarf wird mit der vorliegenden Erfndung erfüllt, die
nachstehend zusammengefasst und ausführlich beschrieben ist.
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Zweck der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung eines effizienten Geräts zum Herstellen von Pellets,
das kontrollierbar im Wesentlichen einheitliche Glasfaser-Pellets mit einer
Form und einer Dichte liefert, die ein gutes Fließvermögen bewirken.
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Nach der Erfindung wird ein Gerät zum Herstellen
von Glasfaser-Pellets aus zerhackten Segmenten eines Mehrfach-Glasfaserstrangs
bereitgestellt, bestehend aus:
- (a) einer Vorrichtung
zum Zugeben einer wässrigen
hydratisierenden Lösung
zu den zerhackten Strangsegmenten;
- (b) einer ersten Schleudervorrichtung zum Vermitteln einer Schleuderwirkung
auf die hydratisierten zerhackten Strangsegmente, um die hydratisierende
Lösung
zu verteilen und um zu bewirken, dass sich die zerhackten Strangsegmente
ausrichten und zu Pellets zusammenfügen, wobei die erste Schleudervorrichtung
eine um ihre Längsachse
drehend angetriebene Trommel aufweist, die ein erstes Ende mit einer
Einlassöffnung
zum Empfangen der zerhackten Strangsegmente und ein zweites Ende
mit einer Auslassöffnung
zum Abgeben der Pellets aufweist, wobei die Mitte der Auslassöffnung von
der Rotationsachse der Trommel radial entfernt ist;
- (c) einer Vorrichtung zum Transportieren der Pellets in eine
zweite Schleudervorrichtung; und
- (d) einer zweiten Schleudervorrichtung zum Schleudern der Pellets,
um sie zu verdichten und ihre Dichte zu erhöhen.
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Die Erfindung wird nachstehend ausführlich beispielhaft
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
beschrieben.
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1a zeigt
ein für
die Erfindung geeignetes Pelletiersystem mit einer Drehtrommel,
und 1b zeigt eine Frontalansicht
einer bevorzugten Ausführungsform
eines für
die Erfindung geeigneten Pellet-Verdichtungssystems.
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2 zeigt
eine Frontalansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Mischers zum
Ausführen der
Arbeitsschritte des Pelletierens und Verdichtens.
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3 zeigt
ein Diagramm eines bevorzugten Geräts nach der Erfindung zur Herstellung
von Fasern und deren Verarbeitung zu verdichteten Pellets.
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4a zeigt
einen Längsschnitt
eines Prallblechs, das in der erfindungsgemäßen Drehtrommel benutzt werden
kann; 4b zeigt eine
Seitenansicht des Prallblechs in 4a entlang
der Linie A-A; 4c zeigt
eine Seitenansicht des Prallblechs in 4a entlang
der Linie B-B; 4d zeigt
einen Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Drehtrommel
mit dem darin installierten Prallblech aus 4a und 4e zeigt
eine isometrische Schnittdarstellung der Drehtrommel und des installierten
Prallblechs aus 4d.
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5a zeigt
eine Seitenansicht eines alternativen Prallblechs, das in der erfindungsgemäßen Drehtrommel
verwendet werden kann; 5b zeigt
einen radialen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Drehtrommel mit dem darin
installierten Prallblech aus 5a;
und 5c zeigt eine isometrische
Schnittdarstellung der Drehtrommel und des installierten Prallblechs
aus 5b
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Bei dem Verfahren unter Benutzung
des erfindungsgemäßen Geräts wird
ein Strang aus im Wesentlichen endlosen Glasfasern nach herkömmlichen
Verfahren gebildet, z. B. durch Ziehen von geschmolzenem Glas durch
einen beheizten Düsenring,
um eine Vielzahl von im Wesentlichen endlosen Glasfasern zu bilden, und
Bündeln
der Fasern in einem Strang. Jedes geeignete Gerät zum Herstellen von Fasern
und Bündeln
der Fasern in einem Strang kann für die vorliegende Erfindung
benutzt werden.
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Geeignete Fasern sind Fasern mit
einem Durchmesser von 3 bis 90 μm,
und geeignete Stränge
umfassen ungefähr
50 bis 2.000 Fasern. Vorzugsweise umfassen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gebildeten Stränge
zwischen ungefähr
400 und 800 Fasern mit einem Durchmesser von 3 bis 23 μm.
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Nach dem Bilden der Fasern und vor
dem Bündeln
zu einem Strang können
die Fasern mit einem geeigneten wässrigen Schlichtemittel nach
dem bekannten Stand der Technik überzogen
werden. Das Schlichtemittel besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus
Wasser, einem oder mehreren Haftvermittlern und optional einem oder
mehreren Gleitmitteln und pH-Reguliermitteln.
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Geeignete Haftvermittler sind unter
anderem organofunktionelle Silane wie sie z. B. von Witco unter den
folgenden Handelsbezeichnungen angeboten werden:
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Bevorzugte Haftvermittler zur Benutzung
mit der Erfindung sind 3-Aminopropyltriethoxysilan und γ-Glycidoxy-Propyltrimethoxysilan,
die handelsüblich
von der Firma Osi aus Witco unter den Handelsbezeichnungen A-1100
bzw. A-187 angeboten werden. Vorzugsweise werden die organofunktionellen
Silane in einer Menge von ca. 0,1 bis 1,0 Prozent bezogen auf das
Schlichtemittel benutzt.
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Jedes geeignete Gleitmittel kann
in dem Schlichtemittel eingesetzt werden, zum Beispiel wasserlösliche Ethylenglykolstearate,
Ethylenglykololeate, ethoxylierte Fettsäureamine, Glycerin, emulgiertes
Mineralöl und
Organo-Polysiloxanemulsionen. Zu den bevorzugten Gleitmitteln gehören unter
anderem Polyethylenglykolmonostearat, Polyethylenglykolmonooleat,
Butoxyethylstearat, Stearinethanolamid (Lubsize K12, erhältlich von
Alpha/Owens Corning), ein in US-Patent 3.597.265 beschriebenes Gleitmittel
(erhältlich
von Emery Corp. unter der Handelsbezeichnung Emerlube 6760) und
ein Gemisch aus 30% Weißöl, 30% Polyethylenglykol 400-Monopelargonat,
30% Polyoxyethylen-(3)-Myristinalkohol und 10% ethoxyliertes Alkylamin
(Parastat S-2) (Emerlube 7607, erhältlich von Emery Corp.). Vorzugsweise
ist das Gleitmittel in dem Schlichtemittel in einer Menge von ca.
0,05 bis 0,10 Gewichtsprozent enthalten.
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Zusätzlich können dem Schlichtemittel geringe
Mengen schwacher Säuren
wie z. B. Essigsäure
zugegeben werden, um den pH-Wert des Schlichtemittels auf Werte
zwischen ca. 3,5 und 8 zu senken. Vorzugsweise sind solche Säuren in
dem Schlichtemittel in einer Menge von ca. 0,15 bis 0,3 Gewichtsprozent
enthalten, und der pH-Wert des Schlichtemittels liegt zwischen ca.
6 und 8.
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Geeignete Schlichtemittel für die Erfindung
sind unter anderem:
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Das wässrige Schlichtemittel kann
mit jeder herkömmlichen
Vorrichtung aufgebracht werden, einschließlich mit einer Auftragswalze
oder mit Sprays. Vorzugsweise wird das Schlichtemittel aufgebracht,
indem die Fasern über
eine Auftragswalze geführt
werden. Außerdem
wird das Schlichtemittel vorzugsweise in einer solchen Menge auf
die Fasern aufgebracht, dass diese einen Feuchtigkeitsgehalt von
ca. 8 bis 13%, besser jedoch von ca. 11% aufweisen (sofern nicht
anders angegeben, handelt es sich bei allen Prozentangaben hierin
um Gewichtsprozent).
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Nach ihrer Bildung werden die Endlosstränge in Segmente
mit einer Länge
von ca. 3,175 mm (1/8'') bis 31,75 mm (1
1/4'') zerhackt. Alle
in der Technik bekannten Vorrichtungen zum Zerhacken von Glasfasersträngen in
Segmente dieser Länge
können
für das
Verfahren benutzt werden.
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Danach wird der Feuchtigkeitsgehalt
der zerhackten Strangsegmente auf ein für die Bildung von Pellets geeignetes
Maß eingestellt,
wenn die zerhackten Strangsegmen te veranlasst werden, sich übereinander und
umeinander zu bewegen, und die zerhackten Strangsegmente werden
in eine erste Schleudervorrichtung oder Pelletiermaschine gegeben,
die diese Bewegung auf die Strangsegmente überträgt. Während der Feuchtigkeitsgehalt
der Strangsegmente vor dem Einfüllen
in die Pelletiermaschine eingestellt werden kann, ist es bevorzugt,
dass die Glasfasern auf einen Feuchtigkeitsgehalt hydratisiert werden,
der zum Bilden von Pellets in der Pelletiermaschine geeignet ist.
Vorzugsweise beträgt
der Feuchtigkeitsgehalt der Fasern in der Pelletiermaschine zwischen
ca. 12 und 16%, besser jedoch zwischen ca. 13 und 14%. Ist der Feuchtigkeitsgehalt
zu niedrig, fügen
sich die Stränge
nicht zu Pellets zusammen und behalten ihre typische Strangform.
Ist jedoch umgekehrt der Feuchtigkeitsgehalt zu hoch, neigen die
Stränge
zum Agglomerieren oder Klumpen oder bilden Pellets mit einem zu
großen
Durchmesser und einer unregelmäßigen, nicht
zylindrischen Form.
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Außerdem ist es bevorzugt, dass
die hydratisierende Flüssigkeit
auch ein Bindemittel oder ein zweites Schlichtemittel enthält. Die
hydratisierende Flüssigkeit
kann daher geeignete Bestandteile enthalten, wie sie typischerweise
in Glasfaser-Schlichtemittel enthalten sind, z. B. Filmbildner,
Netzmittel, Antistatikmittel und zusätzliche Haftvermittler und
Gleitmittel. Durch Aufgingen dieses zweiten Schlichtemittels in
der Pelletiermaschine kann ein Auftragswirkungsgrad von 100% erreicht
werden. Darüber
hinaus erlaubt das Aufgingen dieser Schlichte außerhalb der faserbildenden
Umgebung die Verwendung von Materialien, die im Herstellungsverfahren
aus Gründen
wie Toxizität,
Reinheit, Geruch, hohe Kosten oder Scherempfindlichkeit nicht erwünscht sind.
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Beispiele für geeignete Bindemittelzusammensetzungen,
die in die hydratisierende Flüssigkeit
eingearbeitet werden können,
sind unter anderem die folgenden Mischungen (alle Angaben in Gewichtsprozent,
soweit nicht anders angegeben):
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Die vorstehenden Beispiele für Bindemittelgemische
sind untersucht worden und für
das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet. Der Fachmann kann andere geeignete Bindemittelgemische
oder andere Bestandteile auswählen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Tat darin, dass praktisch
alle wässrigen
Schlichtemittelzusammensetzungen, die für die Herstellung von Glasfasern
benutzt werden, als Bindemittel zum Aufsprühen auf die Fasern in der Schleudervorrichtung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
geeignet sein sollten.
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Um einen guten Bedeckungsgrad der
Glasfaserstränge
zu gewährleisten,
ist es bevorzugt, dass das Schlichtemittel auf die Strangsegmente
aufgebracht wird, wenn sie in die Pelletiermaschine einlaufen und
ehe sie beginnen, sich zu Pellets zusammenzufügen. Wird das Schlichtemittel
an anderen Punkten in der Pelletiermaschine aufgebracht, besteht
die Tendenz, dass sich Pellets bilden, bevor die zerhackten. Stränge vollständig mit
dem Schlichtemittel überzogen
sind, wodurch Pellets aus Fasern entstehen, die nicht vollständig mit dem
Schlichtemittel überzogen
sind. Werden diese Pellets zur Herstel-lung von Formteilen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen
benutzt, fehlt den nicht mit dem Überzug versehenen Fasern die
nötige
Grenzflächenbeschichtung,
um gute Verstärkungseigenschaften
zu vermitteln, und die erhaltenen Formteile weisen keine optimalen
Eigenschaften auf. Vorzugsweise ist die Pelletiermaschine mit einer
Sprühdüse nahe
der Strangsegment-Einlassöffnung
ausgestattet, um die Strangsegmente mit dem Schlichtemittel zu besprühen, wenn sie
in die Pelletiermaschine einlaufen.
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Bei der für die vorliegende Erfindung
verwendeten Pelletiermaschine kann es sich um jede Vorrichtung handeln,
die ein Schleudern der Strangsegmente in einer solchen Weise bewirken
kann, dass sie (1) im Wesentlichen gleichmäßig mit dem wässrigen
Bindemittel/Schlichtemittel überzogen
werden und dass sich (2) mehrere zerhackte Strangsegmente ausrichten
und zu Pellets der gewünschten
Größe zusammenfügen. Eine solche
Schleudervorrichtung sollte eine mittlere Verweilzeit aufweisen,
die ausreicht, um sicherzustellen, dass die Strangsegmente im Wesentlichen
mit der hydratisierenden Flüssigkeit überzogen
werden und Pellets bilden, die jedoch nicht ausreicht, um die Pellets
durch den Abrieb aufgrund des Aneinanderreibens zu schädigen oder
zu zersetzen. Vorzugsweise beträgt
die Verweilzeit in der Schleudervorrichtung zwischen ca. 1 Minute und
10 Minuten, besser jedoch zwischen ca. 1 Minute und 3 Minuten.
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Eine bevorzugte Pelletiermaschine
ist eine Drehtrommel, zum Beispiel die Trommel 41 in 1a . In die Pelletiermaschine 41 werden
zerhackte Strangsegmente 24 gegeben, die mit einem faserbildenden
Düsenring 11,
einer Schlichtemittel-Auftragsvorrichtung 13, einem Sammelschuh 14 und
einer Hack- oder Schneidevorrichtung 20 hergestellt werden
können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gerät
ausgestattet mit einem System zur Überwachung und/oder Einstellung
verschiedener Parameter, die über
ein Bedienfeld 70 automatisch gesteuert werden können, z.
B. eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) Allen Bradley PLC-5/40.
Bei Bedarf kann der Feuchtigkeitsgehalt der ankommenden Strangsegmente 24 mit
einer geeigneten Vorrichtung 71 gemessen werden. Eine Strangwiegevorrichtung 72 kann
vorgesehen und an einer geeigneten Stelle angeordnet werden, z.
B. vor, nach oder zusammen mit dem Strangförderer 30. Eine ähnliche
Wiegevorrichtung kann benutzt werden, um das Gewicht der Pellets
auf dem Förderband 31 zu überwachen.
Das Dosieren von Bindemittel und Wasser kann mit den Regelpumpen 33 und 34 erfolgen.
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Die Trommel 41 ist so ausgelegt,
dass sie einen Sprühkopf
aufnehmen kann, um die hydratisierende Lösung auf die Strangsegmente 24 aufzubringen,
wenn diese in die Trommel gelangen. Vorzugsweise ist in der Trommel
nahe der Einlassöffnung
eine externe Luftmischdüse 47 angebracht,
um ein wässriges
Bindemittelgemisch, das über
eine Masterflex-Pumpe 33 aus einem Bindemittel-Vorratsbehälter 35 zugeführt werden kann,
mit zusätzlichem
Wasser, das über
eine Masterflex-Pumpe 34 aus einem Wasservorratsbehälter 36 zugeführt werden
kann, zu mischen, um den Feuchtigkeitsgehalt der zerhackten Strangsegmente
auf das gewünschte
Maß zu
bringen und das Gemisch auf die zerhackten Strangsegmente in der
Trommel aufzubringen. Das Bindemittelgemisch und das Wasser werden
durch die Düsenöffnung zu
einem Flüssigkeitsstrom
kombiniert, auf den dann zwei Strahlen Druckluft im Winkel von 180
Grad zueinander bzw. im Winkel von 60 Grad zur Strömungsrichtung
auftreffen. Luft wird als saubere trockene Druckluft 52 zugeführt. Dadurch
entsteht ein Sprühnebel,
der auf die Oberfläche
der in der Trommel umherwirbelnden Strangsegmente geblasen wird.
Das Drehen der Trommel hat zur Folge, dass die feuchten Strangsegmente
umeinander herumwirbeln, während die
durch das feuchte Schlichtemittel oder den Überzug erzeugte Oberflächenspannung
dazu fuhrt, dass die Strangsegmente, die sich über einen wesentlichen Teil
ihrer Länge
berühren,
sich aneinander ausrichten und zu einem zylinderförmigen Pellet
zusammenfügen.
Durch diesen Vorgang werden alle beim Zerhacken entstandenen Feinteile
oder Einzelfasern wieder mit den sich bildenden Pellets zusammengefügt und in
diese eingearbeitet, so dass die erzeugten Pellets praktisch keine
feinen Einzelfasern mehr enthalten. Vorzugsweise ist die Trommel
leicht geneigt, so dass das Ende der Trommel, an dem die Pellets
austreten, tiefer als das Ende liegt, an dem sie eintreten, um sicherzustellen,
dass die in der Trommel gebildeten Pellets nicht zu lange in der Trommel
verbleiben. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trommel
so geneigt, dass ihre Rotationsachse um einen Winkel (q) von ca.
1 bis 3 Grad zur Horizontalen geneigt ist. Der Neigungswinkel kann
manuell oder automatisch mit einer geeigneten Stellvorrichtung 43a eingestellt
werden.
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Die Größe der in der Trommel gebildeten
Pellets wird hauptsächlich
durch den Feuchtigkeitsgehalt der Strangsegmente gesteuert. Wird
der Feuchtigkeitsgehalt auf einem hohen Niveau gehalten, fügt sich
eine größere Anzahl
von Strangsegmenten zu einem Pellet zusammen, und das Pellet hat
folglich einen größeren Durchmesser.
Wird der Feuchtigkeitsgehalt auf einem niedrigeren Niveau gehalten,
so fügen
sich umgekehrt weniger Strangsegmente zu einem Pellet zusammen,
und das Pellet hat daher einen kleineren Durchmesser.
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Vorzugsweise haben die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Pellets einen Durchmesser von ca. 20 bis 65% ihrer
Länge.
Solche Pellets entstehen im Allgemeinen durch Kombinieren von ca. 70
bis 175 Strangsegmenten, die jeweils zwischen ca. 500 und 2.000
Einzelfasern pro Strang aufweisen.
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Die Größe der Pellets wird auch durch
den Trommeldurchsatz beeinflusst. Ist der Trommeldurchsatz hoch,
haben die Strangsegmente eine kürzere
Verweilzeit in der Trommel, was zur Bildung von kleineren Pellets
führt,
weil die aufzubringende Flüssigkeit
sich nicht auf den Strängen
verteilt und die Stränge
sich nicht zu Pellets zusammen fügen.
Weil die gebildeten Pellets jedoch über kürzere Zeit in der Trommel verbleiben, kommt
es zu einer geringeren Verdichtung der Pellets.
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Auch wenn es in der Pelletiermaschine
zwangsläufig
zu einer gewissen Verdichtung der gebildeten Pellets kommt, reicht
dies im Allgemeinen nicht aus, um die Pellet-Dichte auf ein Maß zu erhöhen, das ein optimales Fließvermögen bewirkt.
Aus diesem Grund werden die Pellets nach ihrer Bildung in der Pelletiermaschine 41 in
eine zweite Schleudervorrichtung oder einen Verdichter 42 gegeben,
in der bzw. dem die Pellets weiter verdichtet werden. Jede Schleudervorrichtung
mit geringer Prallkraft, die Pellets verdichten kann, ohne sie durch
Abrieb zu zersetzen oder die Pellets auf andere Weise zu schädigen, kann
benutzt werden. Vorzugsweise hat der Verdichter eine sanftere, weniger
starke Schleuderwirkung als die Pelletiermaschine, um eine derartige
Zersetzung der Pellets zu minimieren. Weiterhin weist der Verdichter
vorzugsweise eine durchschnittliche Verweilzeit von weniger als
ca. 5 Minuten auf, um sicherzustellen, dass die Pellets nicht aufgrund von
Abrieb zersetzt werden. Besser noch beträgt die durchschnittliche Verweilzeit
im Verdichter zwischen ca. 1 Minute und 2 Minuten.
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Ein bevorzugter Verdichter ist eine
Zickzackröhre,
die so ausgelegt ist, dass sie wie in 1b gezeigt um
ihre Längsachse
(x) drehbar ist. Die Zickzackröhre 42 ist
drehend mit Hilfe von Laufrollen 44 auf einem Rahmen 43 angeordnet
und wird von einem Motor 45 angetrieben. Wenn die Röhre sich
dreht, werden die Pellets in der Röhre durch das Drehen der Röhre vorsichtig
verwirbelt, während
sie gleichzeitig durch die Schwerkraft durch die Röhre gezogen
werden. Wie die vorstehend beschriebene Drehtrommel ist auch der
Zickzackröhren-Verdichter
vorzugsweise in einem leichten Winkel geneigt, um sicherzustellen,
dass die Pellets ohne allzu lange Verweilzeiten durch das Gerät fließen. Vorzugsweise
ist die Längsachse
der Röhre
um einen Winkel von ca. 1 bis 3 Grad zur Horizontalen geneigt, wobei
der Röhreneinlass 39 höher liegt
als der Röhrenauslass 49.
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Der Mischer 40 umfasst eine
Drehtrommel 41, die an einem Ende der Trommel mit einer
Zickzackröhre 42 verbunden
ist. Sowohl die Trommel 41 als auch die Röhre 42 sind
mit Hilfe von Laufrollen 44 drehend auf einem Rahmen 43 angeordnet
und werden von einem Motor 45 mit regelbarer Drehzahl angetrieben.
Die Zickzackröhre
ist an einer radial vom Rotationszentrum der Trommel entfernten
Stelle mit der Trommel verbunden und steht mit dieser in Durchlaufverbindung,
so dass bei jeder Umdrehung der Trommel Material im Inneren der
Trommel in die Röhre
fließt,
wenn der Röhrenansatz punkt
unter den Materialfüllstand
in der Trommel zu liegen kommt. Die zerhackten Strangsegmente 24 gelangen
durch den Einlass 46 in die Pelletiertrommel 41. Die
ankommenden Strangsegmente werden aus der am Einlass 46 angeordneten
Sprühdüse 47 mit
einer hydratisierenden Lösung
besprüht,
die vorzugsweise Bindemittel, Filmbildner, Gleitmittel, Antistatikmittel
und Haftvermittler enthält.
Das Drehen der Pelletiertrommel 41 bewirkt, dass die Strangsegmente
im Inneren der Trommel über-
und umeinander herumwirbeln, wodurch die hydratisierende Lösung auf
der Oberfläche
der Strangsegmente verteilt wird und sich die Strangsegmente ausrichten
und zu Pellets 48 zusammenfügen. Die in der Trommel gebildeten
Pellets gelangen durch eine Öffnung 41a im
Auslassende der Trommel in die Zickzackröhre 42, wo sie weiter
verdichtet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Trommel 41 ein inneres Prallblech auf, um den
Freifallabstand der Glas-Pellets und Strangsegmente beim Drehen
der Trommel zu verringern. Durch Verringern dieses Abstands kommt
es zu einer geringeren Qualitätsverschlechterung
der Glasfasern und Pellets aufgrund von Stoßkräften und Abrieb, was den daraus
hergestellten glasfaserverstärkten
Formteilen bessere physikalische Eigenschaften verleihen kann.
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Während
geeignete Prallbleche viele verschiedene Formen haben können, gehören zu den
besonders bevorzugten Konfigurationen im Allgemeinen zylindrische
Prallbleche wie in 4 und
gekrümmte
Prallbleche wie in 5.
Diese Prallbleche sind vorzugsweise an der Wand der Trommel 41 am
Auslassende angebracht und erstrecken sich von dort über ca.
10 bis 50 Prozent der Trommellänge
nach innen. Die Prallbleche können aus
jedem Material bestehen, das den Betriebsbedingungen im Inneren
der Trommel standhält,
z. B. rostfreier Stahl, und können
mit Hilfe von Bolzen und Schrauben oder durch Schweißen oder
andere geeignete Mittel an der Trommelwand befestigt sein. Bei Verwendung
von Befestigungsmitteln wie z. B. Bolzen oder Schrauben weisen die
Kanten der Prallbleche entlang der Trommelwand vorzugsweise eingearbeitete
Flansche 83 auf, um die Befestigung zu erleichtern.
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Wie in 4 gezeigt,
ist das im Allgemeinen zylindrische Prallblech 80 vorzugsweise
hohl und besitzt verschlossene Enden, um zu verhindern, dass Glas
hineingelangen kann, und ist so an der Wand der Trommel 41 am
Auslassende befestigt, dass ihre mittlere Längsachse ungefähr der Längsachse
der Trommel entspricht. Der Begriff „im Allgemeinen zylindrisch" bedeutet, dass es
sich sowohl um echte Zylinder als auch um pseudozylindrische Elemente
mit flachen, verjüngten
oder ausgesparten Abschnitten oder variierenden Radien über Teile
ihrer Länge
handeln kann. Vorzugsweise haben diese Prallbleche einen Durchmesser
von ca. 20 bis 35% des Trommeldurchmessers, um eine ausreichende
Verringerung des Freifallabstands der Pellets zu bewirken, um die
Qualitätsverschlechterung
der Glasfasern zu verringern. Weiterhin kann der Durchmesser des
Prallblechs vorteilhafterweise über
mindestens einen Teil seiner Länge
abnehmen, damit das sich nach innen erstreckende Ende des Prallblechs
einen kleineren Durchmesser hat als das an der Trommel befestigte Ende.
Indem man dem Prallblech eine solche Form gibt, verringert man den
Widerstand, den es dem in Längsrichtung
durch die Trommel fließenden
Glasstrom entgegensetzt. Vorzugsweise hat das sich nach innen erstreckende
Ende des Prallblechs einen Durchmesser von ca. 25 bis 60% des Trommeldurchmessers.
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Darüber hinaus ist das Prallblech
vorzugsweise so an der Wand der Trommel am Auslassende befestigt,
dass es die Auslassöffnung 41a der
Trommel teilweise überdeckt,
um ein Zurückfließen der
Pellets aus dem Zickzackröhren-Verdichter 42 in
die Trommel zu verhindern, wenn sich die Einheit dreht. Dies reduziert entsprechend
die durchschnittliche Verweilzeit der Pellets in der Trommel und
trägt mit
dazu bei, dass die Pellets nicht durch übermäßigen Abrieb beschädigt oder
zersetzt werden. Vorzugsweise versperrt das Prallblech zwischen
ca. 20 und 30% der Fläche
der Auslassöffnung.
Weiterhin kann der Teil des Prallblechs, der die Auslassöffnung überdeckt,
wie in 4 gezeigt abgeflacht,
verjüngt
oder anderweitig modifiziert sein, um die Reduzierwirkung für das Zurückfließen der
Pellets zu verbessern und gleichzeitig die Behinderung des Pellet-Stroms
in den Zickzackröhren-Verdichter
zu minimieren.
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Wie in 5 gezeigt,
haben bevorzugte gekrümmte
Prallbleche im Allgemeinen einen gekrümmten Teil 84 und
einen linearen Teil 86 und sind an der Auslasswand der
Trommel senkrecht zu dieser befestigt, so dass sie nach innen in
die Trommel ragen. Der gekrümmte
Teil des Prallblechs hat vorzugsweise einen im Wesentlichen konstanten
Radius, der dem Radius der Auslassöffnung entspricht, und der
lineare Teil hat vorzugsweise eine der Auslassöffnung entsprechende Höhe.
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Weiter ist das Prallblech wie in 5 gezeigt vorzugsweise an
der Trommelwand befestigt, wobei der lineare Teil neben der drehenden
Austrittskante der Auslassöffnung 41a so
angeordnet ist, dass der lineare Teil, wenn sich die Auslassöffnung am
unteren Drehpunkt befindet, vertikal ausgerichtet ist und der gekrümmte Teil
sich zur Mittelachse der Trommel über die Auslassöffnung hin
krümmt.
Durch diese Anordnung des Prallblechs verringert sich nicht nur
der Freifallabstand der Pellets beim Drehen der Trommel, sondern
es wirkt auch als eine Schaufel oder Führung, um den Pellet-Strom
durch die Auslassöffnung
in den Zickzackröhren-Verdichter
zu erleichtern, indem die scheinbare Druckhöhe der Glas-Pellets erhöht wird,
die bei jeder Trommelumdrehung in den Verdichter fließen können. Somit
trägt es
auch zu Verringerung der durchschnittlichen Verweilzeit der Pellets
in der Trommel bei und verhindert einen übermäßigen Abrieb der Pellets.
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Es hat sich gezeigt, dass der Einbau
der oben beschriebenen Prallbleche in die Trommel der Pelletiermaschine
die durchschnittliche Verweilzeit der Pellets in der Trommel von
ca. 2 Minuten und 35 Sekunden ohne ein Prallblech auf ca. 1 Minute
und 40 Sekunden mit dem im Allgemeinen zylindrischen Prallblech
bzw. auf ca. 1 Minute und 20 Sekunden mit dem gekrümmten Prallblech
verkürzt.
Weiter zeigt sich die offensichtliche Verringerung der Faserzersetzung
aufgrund des Einbaus dieser Prallbleche an einer Verbesserung der physikalischen
Eigenschaften der aus den erhaltenen Pellets hergestellten Formteile,
unter anderem einer durchschnittlichen Erhöhung der Zugfestigkeit um ca.
2 bis 3%, einer Erhöhung
der Biegefestigkeit um ca. 1 bis 2% und einer Erhöhung der
Schlagzähigkeit
um ca. 4 bis 5%.
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Nach dem Verdichten können die
Pellets auf ein Förderband 50 gegeben
und getrocknet werden, z. B. mit einem geschlossenen Ofen, der mit
Heißluft 61 und
Kühlluft 62 versorgt
wird, oder jeder geeigneten Trockenvorrichtung 60 mit einer
Absaugvorrichtung 63. Um die Trockenzeit auf ein für die industrielle
Massenproduktion geeignetes Maß zu
verkürzen,
werden die Glasfasern vorzugsweise bei höheren Temperaturen von 121,1
bis 293,3°C
(ca. 250 bis 560°F)
in einem Wirbelschichtofen getrocknet. Nach dem Trocknen können die verdichteten
Pellets 48 mit einem Sieb 65 oder einer anderen
geeigneten Vorrichtung nach Größen klassiert und
in einen Produktbehälter 66 oder
einen Abfallbehälter 67 sortiert
werden.
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Durch Variieren des Durchsatzes und
des Feuchtigkeitsgehalts der Glasfaser-Strangsegmente können Glasfaser-Pellets hergestellt
werden, deren Dichte ca. 13 bis 60% höher als die entsprechender
nicht pelletierter Glasfaser-Strangsegmente ist und die einen 10-
bis 65-mal größeren Durchmesser
aufweisen. So haben zum Beispiel zerhackte 4 mm lange Segmente eines
Strangs aus 2.000 Einzelfasern mit einem Durchmesser von 14 μm typischerweise
eine Schüttdichte
von 528,66 bis 576,2 kg/m3 (ca. 33 bis 36
lb/ft3). Nach Hydratisieren auf einen Feuchtigkeitsgehalt
von ca. 13 bis 14% und Herstellen von verdichteten Pellets mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
haben die so erhaltenen getrockneten Pellets typischerweise eine
Schüttdichte
von 640,8 bis 881,1 kg/m3 (ca. 40 bis 55
lb/ft3). Aufgrund ihres höheren Durchmesser-Längen-Verhältnisses
und der höheren
Dichte weisen die resultierenden Pellets ein deutlich besseres Fließvermögen als
das Produkt aus nicht pelletierten, zerhackten Fasersträngen auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise
mit einem Gerät
nach 3 ausgeführt, wobei Glasfaserstränge in einer
faserbildenden Vorrichtung 10 gebildet, mit der Schneidevorrichtung 20 zerhackt
und von dem Förderer 30 zur
Schleudervorrichtung 40 transportiert werden, wo die zerhackten
Stränge
pelletiert und verdichtet werden. Die erhaltenen Pellets werden
von dem Förderband 50 zu
der Trocknungsvorrichtung 60 transportiert.
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Die faserbildende Vorrichtung 10 umfasst
vorzugsweise einen Glasfaserofen mit faserbildenden Düsenringe 11a, 11b und 11c,
aus denen mehrere Einzelfäden 12a, 12b,
und 12c gezogen oder verdünnt werden und auf die mit
Hilfe von Schlichtemittel-Auftragsvorrichtungen wie z. B. den Walzen 13a, 13b und 13c ein wässriges
Schlichtemittel aufgebracht wird, das Haftvermittler und optionale
Gleitmittel und pH-Reguliermittel enthält. Die Fasergruppen werden
mit Hilfe der Sammelschuhe 14a, 14b und 14e zu
getrennten Strängen 15a, 15b und 15c gebündelt und
anschließend
in die Schneidevorrichtung 20 eingeführt.
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Die Schneidevorrichtung 20 umfasst
eine Führungswalze 21 mit
Rillen in einer der Anzahl der Stränge entsprechenden Anzahl,
eine frei drehbare Transportwalze 22 mit einer Oberfläche aus
einem elastischen Material mit einer hohen Reibungszahl bezogen
auf Glasfasern, z. B. Kautschuk, Gummi oder Kunstharz, und eine
Schneidewalze 23, die federnd gegen die Transportwalze 22 gepresst
und von einem Motor angetrieben wird, wobei die Schneidwalze mehrere
Flügel
oder Lamellen aufweist, die radial von ihr abstehen. Die benetzten
Stränge 15a, 15b und 15c,
die in die Schneidevorrichtung 20 gegeben werden, werden
durch die Rillen der Führungswalze 21 um
die Transportwalze 22 gewickelt und an der Kontaktstelle
zwischen der Transportwalze 22 und den Flügeln der
Schneidwalze 23 in Stücke,
d.h. zerhackte Stränge 24 geschnitten,
deren Länge durch
den Abstand der Flügel
in Umfangsrichtung bestimmt wird.
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Die zerhackten Stränge 24 fallen
auf eine geeignete Transportvorrichtung wie z. B. den Förderer 30 und
werden zu der Schleudervorrichtung 40 transportiert. Der
bevorzugte Förderer
zum Transportieren der feuchten zerhackten Strangsegmente ist ein
Gurt förderer
mit einer nicht klebenden, mit Vertiefungen versehenen Oberfläche, wie
er z. B. handelsüblich
von Sparks unter der Handelsbezeichnung Ultraline Food Belt Monoflex
WU220M (weißes
Polyurethan mit Mini-Diamant-Oberseite) angeboten wird.
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Die Schleudervorrichtung 40 umfasst
eine Pelletiertrommel 41, die fest an einem Ende einer
hohlen Zickzack-Pellet-Verdichterröhre 42 angebracht
ist, die mit Hilfe von Laufrollen 44 drehend auf einem
Rahmen 43 angeordnet ist und von einem Motor 45,
z. B. einem Motor mit variabler Drehzahl mit einer Leistung von 30 Ampere,
angetrieben wird. Die Verdichterröhre 42 ist an einer
radial vom Rotationszentrum der Trommel entfernten Stelle mit der
Trommel 41 verbunden und steht mit dieser in Durchlaufverbindung.
Das Arbeitsvolumen der hydratisierten Strangsegmente und Pellets
in der Trommel entspricht vorzugsweise zwischen ca. 20 und 50% des
Trommelvolumens, besser jedoch etwa 50% des Trommelvolumens, um
eine Verweilzeit in der Trommel sicherzustellen, die zur Bildung
von Pellets ausreicht, jedoch nicht zu deren Zersetzung aufgrund
von Abrieb führt.
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Die verdichteten Pellets gelangen
aus der Trommel 41 durch die Verdichterröhre 42 und
verlassen diese am Auslass 49. Die Dichte der aus der Verdichterröhre austretenden
Pellets liegt vorzugsweise zwischen 736,92 und 993,24 kg/m3 (ca. 46 bis 62 lb/ft3),
einschließlich
eines Feuchtigkeitsgehalts von ca. 14 Gewichtsprozent.
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Der Rahmen 43 der Schleudervorrichtung
ist vorzugsweise mit einer Höhenverstellvorrichtung 43a versehen,
um die Schleudervorrichtung in einem kleinen Winkel von ca. 5 Grad
zur Horizontalen geneigt halten zu können, um einen einwandfreien
Materialstrom durch die Pelletiertrommel und die Verdichterröhre sicherzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung beträgt
der Neigungswinkel zwischen ca. 1 und 3 Grad.
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Die aus der Verdichterröhre austretenden
Pellets fallen auf das Förderband 50 und
werden zu dem Ofen 60 transportiert, wo die hydratisierende
Lösung
getrocknet wird. Der Förderer 50 ist
vorzugsweise ein Gurtförderer
mit einer nicht klebenden, mit Vertiefungen versehenen Oberfläche, wie
er z. B. handelsüblich
von Sparks unter der Handelsbezeichnung Ultraline Food Belt Monoflex
WU220M (weißes
Polyurethan mit Mini-Diamant-Oberseite)
angeboten wird.
