DE805420C - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hochzugfester Fasern aus Glas oder anderen mineralischen Stoffen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hochzugfester Fasern aus Glas oder anderen mineralischen Stoffen

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Description

Erteilt auf Grund des Ersten Oberleitungsgesetzes vom 8. ]uli 1949
(WiGBl. S. 175)
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
AUSGEGEBEN AM 17. MAI 1951
DEUTSCHES PATENTAMT
PATENTSCHRIFT
KLASSE 32a GRUPPE 25
p 44190 VIb j 32 a D
Die Erfinder haben beantragt, nicht genannt zu werden
Societe Anonyme des Manufactures des Glaces et Produits Chimiques de Saint-Gobain, Chauny Sd Cirey, Paris
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hochzugfester Fasern aus Glas oder anderen mineralischen Stoffen
Patentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vom 28. Mai 1949 an
Patenterteilung bekanntgemacht am 15. März 1951 Die Priorität der Anmeldung in Frankreich vom 1. Juni 1948 ist in Anspruch genommen
Die nach den zur Zeit gebräuchlichen Verfahren hergestellten Glasfasern besitzen für die zwischen ι und 50 Mikron liegenden Durchmesser die ungefähren in nachstehender Tabelle angegebenen Zugfestigkeiten:
ι Mikron 1000 kg/mm2,
3 Mikron 500 kg/mm2,
6 Mikron 100 kg/mm2,
10 Mikron 60 kg/mm2,
20 Mikron 40 kg/mm2,
50 Mikron 30 kg/mm2.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, welches es gestattet, Fasern aus Glas oder ähnlichen mineralischen Stoffen zu erzeugen, deren Zugfestigkeiten beträchtlich über denjenigen von aus dem gleichen Stoff nach bekannten Verfahren erzeugten Fasern liegen. Diese Erhöhung der Zugfestigkeit kann für Fasern von 5 Mikron mehr als 50% betragen und für Fasern von 20 bis 50 Mikron 250 bis 300% erreichen.
Nach einem der bis jetzt benutzten Verfahren zur Erzeugung von Fasern aus Glas oder anderen mineralischen Stoffen werden die aus den öffnungen einer Spinndüse unter mechanischem Ausziehen austretenden feinen Ströme geschmolzenen Glases unmittelbar nach dem Austritt aus der Spinndüse
einer Kühlwirkung ausgesetzt. Die Kühlwirkung wird dabei durch Luft-, Dampf- oder Gasstrahlen oder durch einen von solchen Strahlen angesaugten Luftstrom ausgeübt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Fasern höherer mechanischer Festigkeit werden die feinen Glasströme nach dem Austritt aus der Spinndüse einer scharfen Kühlung unterworfen, die mit Mitteln durchgeführt wird, ίο welche eine kräftigere Wirkung haben als die bei dem obengenannten bekannten Verfahren verwendeten Gase.
Es konnte festgestellt werden, daß die Kühlbedingungen für die Glasfaden beim Austritt aus der Spinndüse einen sehr großen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Fasern haben und daß es möglich ist, durch Anwendung eines hinreichend kräftig wirkenden Kühlmittels Glasfasern mit einer Zugfestigkeit zu erzeugen, die über den in vorstehender Tabelle angegebenen Grenzen liegt.
Diese Erhöhung der mechanischen Festigkeit läßt sich durch den Spannungszustand erklären, welcher der Faser durch die scharfe Abkühlung des geschmolzenen Glasfadens bei seinem Austritt aus der Spinndüse verliehen wird, wobei die Oberfläche der Glasfasern sich in einem Druckzustand, dagegen ihr Kern noch in einem Dehnungszustand befindet.
Die Kühlung ist während des Ausziehens des Fadens in der Zone vorzunehmen, in der sich die Temperatur des Glases noch über der unteren Entspannungstemperatur für die betreffende Faser befindet. Es wurde jedoch festgestellt, daß die scharfe Kühlung nicht auf den Ziehkegel zu richten ist, d. h. auf denjenigen Teil des feinen Glasstromes, der beim Austritt aus der Spinnöffnung einer schnellen Durchmesserveränderung unterliegt, sondern auf den unterhalb der Spitze dieses Kegels liegenden Teil des Fadens ausgeübt werden muß. Es wurde durch Versuche bestätigt, daß das Erstarren des Glases, wenn die scharfe Kühlung unmittelbar an der Spitze des Ziehkegels vorgenommen wird, so schnell vor sich geht, daß sich Fasern ergeben, deren Durchmesser 20 bis 40Ύ0 größer ist als derjenige, der sich ohne Kühlung bei gleicher Ziehgeschwindigkeit ergeben würde. Derartige Fasern zeigen mechanische Eigenschaften, die viel schlechter sind als diejenigen von ohne Abkühlung ausgezogenen Fasern, und zwar bedingt durch die Durchmesservergrößerung an sich wie auch dadurch, daß die Glasverfestigung, die zuerst in den Außenschichten eintritt, während der Kern . der Faser noch weich bleibt, anscheinend ein 55V weiteres Ausziehen des Faserkerns gestattet, wobei dann in den erkalteten Oberflächenschichten Risse hervorgerufen werden. Wenn dagegen die scharfe Abkühlung in einer Ebene unterhalb der Ziehkegelspitze in einer Zone vorgenommen wird, in welcher der Durchmesser der Faser infolge dieser Kühlwirkung sich um 5 bis 10% gegenüber dem Durchmesser einer unter den gleichen Bedingungen, aber ohne Abkühlung gezogenen Faser erhöht, zeigt sich, daß die Zugfestigkeit der so erhaltenen Fasern beträchtlich höher als die Zugfestigkeit der ohne Abkühlung erhaltenen Fasern und selbst höher als die Zugfestigkeit von Fasern gleichen Durchmessers liegt, die nach dem oben angegebenen Verfahren mit Abkühlung durch Gasströme am Austritt der Spinndüse hergestellt worden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in der Weise verwirklichen, daß die Kühlung mittels einer Flüssigkeit vorgenommen wird, die so zugeführt wird, daß sie an der Kühlstelle um die zu härtende Faser herum eine flüssige Hülle bildet, die beständig erneuert wird.
Die benutzte Flüssigkeit muß von solcher physikalischen Beschaffenheit sein, daß sich mit ihr die angestrebte plötzliche Abkühlung verwirklichen läßt, d. h. sie muß eine große spezifische Wärme oder eine große Verdampfungswärme oder eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Man kann hierzu beispielsweise Wasser, ein öl oder eine ölemulsion benutzen.
Das Verfahren läßt sich auch ausführen, indem man die Glasfäden mit metallischen Körpern, wie z. B. Quecksilber, in Berührung bringt, die durch umlaufendes Wasser oder durch ein anderes Kältemittel gekühlt werden. Ebenso lassen sich auch bei niedriger Temperatur erhaltene Gase benutzen, wie z. B. Kohlensäuregas, das sich aus Kohlensäureschnee bildet, über den man die Faser während des Ausziehens laufen läßt, oder auch Gase von hoher Leitfähigkeit, wie z. B. Wasserstoff usw., d. h. gasförmige Mittel, welche die Eigenschaft haben, daß mit ihnen die gewünschte plötzliche Abschreckung möglich ist. Auf jeden Fall findet die Abkühlung auf dem ganzen Umfang der Faser statt.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt die plötzliche Abkühlung durch eine über eine geeignete Fläche fließende regelmäßige Flüssigkeitsschicht, die von solcher Stärke ist, daß die durch sie hindurchgehende Faser völlig von der Flüssigkeit umschlossen wird. Als Träger dieser Flüssigkeitsschicht kann man polierte Metalle oder auch poröse Körper, wie weiches Porzellan, Filz, poröses Holz usw., benutzen, welche die Flüssigkeit in dem Maße durchtreten lassen, wie sie von der Faser mitgenommen oder verdampft wird. Gegebenenfalls kann auch eine in irgendeiner Weise rotierende feste Drehfläche verwendet werden, die sich beim Durchgang durch einen Speisetrog mit einer Flüssigkeitsschicht bedeckt.
Der Grad der Härtung für ein gegebenes Glas kann durch die Temperatur des Glases beim Austritt aus der Spinndüse, durch den Durchmesser der Spinndüse und die Beschaffenheit des Kühlmittels wie auch durch die Ziehgeschwindigkeit geregelt werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht nur bei der Herstellung geradliniger Fasern, sondern auch bei der Erzeugung gekräuselter oder gewellter Fasern anwendbar, indem man gleichzeitig mit der für das Härten vorgenommenen symmetrischen Kühlung eine mechanische Ver- · formung der Faser vornimmt. Dies kann dadurch erfolgen, daß man die Faser über eine geeignete,
beispielsweise von einem Rohr oder einem Draht gebildete Form führt, auf weiche ein flüssiges Kühlmittel aufrieselt. Die Teilung der Verformungen kann man durch Änderung der Form und ihrer Abmessungen in breiten Grenzen beeinflussen.
Nachstehend ist eine beispielsweise Ausführungsform einer zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt ist.
ίο In der Zeichnung zeigt
Abb. ι eine senkrechte Schnittansicht der Vorrichtung,
Abb. 2 eine Draufsicht derselben in kleinerem Maßstabe,
Abb. 3 eine vergrößerte Einzelansicht und
Abb. 4 einen Querschnitt der Kühlwirkung auf die Faser.
Gemäß der Zeichnung gelangt die erfindungs- ! gemäße Vorrichtung bei einer gebräuchlichen Glas- | fasererzeugungsanlage zur Anwendung, die einerseits aus einem Spinnsystem, bei welchem die Spinnöffnungen in einer geraden Reihe liegen, und anderseits aus einem von einer Trommel gebildeten mechanischen Ziehsystem besteht. Tatsächlich besitzt die Vorrichtung den Vorteil, daß sie bei jeder gebräuchlichen Faserspinn- und -zieheinrichtung verwendet werden kann, ohne daß diese Einrichtung geändert werden müßte.
Bei der Einrichtung werden die aus den Spinnöffnungen 2 ausfließenden feinen Glasströme 1 durch Aufwicklung auf die Trommel 3 ausgezogen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus j einer Rampe, die eine der Länge des Spinnsystems j im wesentlichen gleiche Länge hat. Sie umfaßt eine Rinne 4, durch die eine genügende Menge Wasser geleitet wird, um die der Strahlung des Spinnsystems ausgesetzten Teile der Rampe zu kühlen. Der den Fasern gegenüberliegende vordere Teil dieser Rinne wird von einem Filz 5 gebildet. Ein die Rinne verschließender Deckel 6 ist an deren Vorderteil auf einer Leiste 7 festgeschraubt, wobei der Filz 5 zwischen dieser Leiste und dem Deckel liegt. Der Filz steht mit dem in der Rinne befindlichen Wasser in Berührung und ist auf seiner Vorderseite von einer Schicht dieses Wassers bedeckt, durch die die Fasern beim Ausziehen hin- j durchgehen und somit einer scharfen Abschreckung ■ unterworfen werden (Abb. 3 und 4). Durch mehr '. oder weniger starkes Anziehen des Deckels wird der Filz 5 mehr oder weniger zusammengedrückt. Auf diese Weise kann man einen bestimmten gleichmäßigen Durchtritt von Wasser in konstanter Stärke längs der ganzen Rampe erzielen.
Die Veränderung der durch den Filz durch- 1 tretenden Wassermenge läßt sich durch Drosselung | des Wasserabflusses durch die öffnung 9 der Rampe bewirken. Auf diese Weise kann der Wasserdurchtritt auf einen Wert eingestellt werden, bei dem die Fasern, während sie sich längs des Filzes bewegen, völlig von einer Wasserschicht umhüllt sind. Diese Schicht ist bei 20 in den Abb. 3 und 4 dargestellt.
Unter der Rinne 4 befindet sich ein Trog 10 zum j Auffangen des aus der Rinne ablaufenden Wassers, i Die Kühlrampe kann sowohl in der Höhe als auch quer dazu senkrecht zu den Fasern einstellbar gemacht werden.
Bei der gezeigten Ausführung sitzt die Rampe an einem Rahmen 11, der von an einem fest stehenden Teil befestigten Gewindebolzen 12 getragen wird. Durch Verstellen der auf diesen Bolzen sitzenden Muttern 13 läßt sich die Höhenlage der Rampe, d. h. der Abstand von den Spinnöffnungen, auf welchem die plötzliche Abkühlung der Fasern vorgenommen wird, nach Wunsch verändern.
Die Rampe ist bei 14 auf fest an dem Rahmen 11 sitzenden Stützen angelenkt. Eine Schraube 15, die in einem ebenfalls fest an dem Rahmen 11 sitzenden Teil drehbar ist, wirkt auf ein fest an der Rampe sitzendes Stück 16, um diese quer zu den Fasern verstellen zu können.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte und beschriebene Ausführung der Vorrichtung beschränkt. Es könnte insbesondere die Wasserschicht auch von zwei auf entgegengesetzten Seiten der Fasern einander gegenüberliegend angeordneten Filzen erfolgen, wobei die Zufuhr von Wasser durch beide Filze oder auch nur durch einen derselben stattfinden könnte. Diese Anordnung gestattet eine leichte Regelung der Stärke der Kühlwasserschicht. Vor Beginn des Ziehverfahrens oder im Fall eines Fadenbruchs kann der eine der Filze von den Fasern entfernt werden.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Erzeugung hochzugfester Fasern aus Glas oder anderen mineralischen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die einem mechanischen Ausziehen unterworfenen Fäden geschmolzenen Glases nach ihrem Austritt aus der Spinndüse eine derart scharfe Kühlwirkung ausgeübt wird, daß eine Härtung der Fasern stattfindet, zufolge der ihre Zugfestigkeit höher wird als die von nach den gebräuchlichen Verfahren erzeugten Fasern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwirkung auf die Fasern in einer Zone ausgeübt wird, in der zufolge der Kühlwirkung der Durchmesser der Faser um 5 bis 10% gegenüber dem Durchmesser einer unter den gleichen Bedingungen, aber ohne die Kühlung ausgezogenen Faser erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch eine die Faser an der Kühlstelle völlig umgebende und sich ständig erneuernde Schicht einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Gas benutzt wird, das, wie z. B. aus Kohlensäureschnee entstehendes Kohlensäuregas, bei niedriger Temperatur erhalten wird oder, wie Wasserstoff, eine hohe Leitfähigkeit besitzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein metalli-
seller Körper, wie ζ. Β. durch ein umlaufendes Kühlmittel gekühltes Quecksilber, benutzt wird. 6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch ι bis 3, gekennzeichnet durch eine parallel zu einer Reihe von aus nebeneinanderliegenden Spinndüsen kommenden Fasern angeordnete Rampe, auf der im Bereich der Bewegungsbahn der Fasern eine ständig sich erneuernde Schicht von Wasser unterhalten wird, durch die die Fasern hindurchgehen, die bei der Berührung mit der sie völlig umgebenden Schicht eine plötzliche Abschreckung erfahren.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserschicht auf einem Filz gebildet wird, dessen Dichte zwecks Änderung der Stärke der Wasserschicht einstellbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampe zur Änderung ihres Abstandes von den Spinndüsen in der Höhe und/oder mit Bezug auf die Fasern quer dazu verstellbar ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
I 424 5.
DEP44190A 1948-06-01 1949-05-28 Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hochzugfester Fasern aus Glas oder anderen mineralischen Stoffen Expired DE805420C (de)

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