DE973740C - Verfahren zur Verbesserung der Verschleissfestigkeit von Glasfasern - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 2. JUNI 1960

O 3990 IVc /32 a

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserurig der Verschleißfestigkeit von Glasfasern, um derart die Weiterverarbeitung von Glasfasern beispielsweise zu Strängen, Garnen, Geweben, Fasermatten u. dgl. zu erleichtern.

Es hat sich gezeigt, daß die Verschleißfestigkeit von Glasfasern wesentlich dadurch verbessert werden kann, wenn, ausgehend von dem bekannten Verfahren, bei dem man die Glasfasern beim Ausziehen aus einem Strom geschmolzenen Glases im heißen und verformbaren Zustand durch ein elektrostatisches Feld führt, erfindungsgemäß der Potentialgradient des elektrostatischen Feldes knapp unterhalb des Funkenüberschlagwertes liegt und die Schmelzglasströme im Bereich dieses Feldes zu Glasfasern mit durch die Einwirkung dieses Feldes unebenen und aufgerauhten Oberflächen verfestigt werden.

Bei den bisher bekannten Verfahren zur elektrostatischen Behandlung von Glasfasern ging man im wesentlichen lediglich davon aus, zwischen einer Prallwandung und dem Austrittsgefäß ein Potential anzulegen, um derart die Wanderung der zerfaserten Ausgangssubstanz zwischen Gefäß und Prallwandung durch elektrostatische Anziehung bzw. Abstößung zu-begünstigen. Es ist auch bereits bekannt, derartigen Feldern quergerichtete Felder mit geringerem Potential zu überlagern. Mit solchen Feldern ist es jedoch nicht möglich, die Oberfläche der Glasfasern zu beeinflussen.

Wenn man die zu Fasern auszuziehenden Glasströme durch ein elektrostatisches Feld mit einem

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Potentialgradienten von 4000 V/cm und mehr fließen, läßt, kann die Biegefestigkeit von zu. Strängen, Lunten od. dgl. gesammelten Fasern bis auf das 10- bis isofache und darüber gegenüber der Biegefestigkeit von umbehandielten,, in gleicher Weise zusammengefaßten. Fasern- gesteigert werden.

Die physikalischen Wirkungen dter elektrostatischen Behandlung sind zwar weder mit bloßem Auge noch mit einem gewöhnlichen optischen Mikroskop beobachtbar; elektronenmikroskopische Fotografien von behandelten Fasern, in einer Vergrößerung von etwa 20 000 zeigen jedoch die überraschende Tatsache, daß die Oberflächen der Fasernin¹ ihrem Aussehen rauh oder schuppig sind! und zahlreiche hügelförmige Vorsprünge mit dazwischenliegenden Einbuchtungen aufweisen, während unter den gleichen Bedingungen fotografierte unbehandelte Fasern eine glatte Oberfläche zeigen,. Man kann das Aussehen von auf diese Weise behandelten und aufgerauhten Glasfaseroiberflächen auch als pockennarbig bezeichnen.

Völlig unerwartet führen, solche Oberflächen bei Verschleiß- oder Abriebversuchen zu Ergebnissen, die nur einem bedeutend herabgesetzten· Reibungskoeffizienten an den Berührungsstellen der einzelnen Fasern zugeschrieben werden können.

Obwohl die theoretischen Grundlagen für die verbesserte Verschleißfestigkeit solcher gemäß der Erfindung aufgerauhter Glasoberflächen nicht eindeutig verständlich sind, zeigen, die erhaltenen Ergebnisse eine bedeutende Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Glasfasern bezüglich des Abtriebes zwischen den einzelnen Glasfasern selbst und gegenüber anderen Stoffen. Darüber hinaus werden diese günstigen Ergebnisse ohne eine Minderung der Zugfestigkeit der Glasfasern, erreicht. Die gemäß der Erfindung behandelten Fasern, eignen sich also hervorragend zur Verarbeitung zu textilähnlichen Strängen, Garnen, Lumten, Geweben u. dgl., die Reib- und Biegungskräften während der Verarbeitung und Verdrillung und bei der Verwendung als Endprodukte in Schnüren, Seilen, Segeltüchern, Zeltdecken, Reifenschnüren usw. ausgesetzt sind.

+5 Darüber hinaus ergeben sich auch Vorteile bei anderen Produkten, wie Verstärkungsmatten oder Einlagen für Kunststoffe, geformte Fasergegenstände und Bauteile, bei denen ebenfalls während der Verwendung wenigstens ein Teil der Fasern mit anderen Fasern oder anderen Stoffen in einer reibenden und gleitenden Berührung steht.

Besonders zweckmäßig ist es, beim Durchgang oder nach dem Durchgang durch das. elektrostatische Feld Gasströme in bekannter Weise gegen das- Glas zu richten, um es derart zu, Fasern zu zerreißen, die nunmehr zu Matten od. dgl. werterverarbeitet werden können.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. ι in schematischer perspektivischer Darstellung eine teilweise im Schnitt gezeichnete Anordnung zur Durchführung der elektrostatischen Glasbehandlung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des faserbildenden Teils der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei gestrichelt die allgemeinen Kraftlinien des elektrostatischen Feldes zwischen den Elektroden angedeutet sind, ■

Fig. 3A und 3B das Aussehen der Glasfaseroberflächen bei unbehandelten und bei behandelten Glasfasern bei einer annähernd 20 ooofachen Vergrößerung durch ein Elektronenmikroskop,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer Faserherstellungsapparatur für die elektrostatische Behandlung und die Aufbringung von Metall auf die Glasfasern während des Herstellungsvorganges.

Als Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.soll im folgenden zuerst die Herstellung von Glasfäden beschrieben werden.

Selbstverständlich lassen sich die Grundprinzipien der Erfindung auch ganz allgemein für jede Art der Verbesserung der Verschleißfestigkeit von 'Glasfaseroberflächen verwenden, wenn sich das Glas auf einer erhöhten Temperatur und damit in einem formbaren Zustand befindet, der eine physikalische Änderung durch aufgebrachte elektrostatische Kräfte ermöglicht.

Im Hinblick darauf ist es selbstverständlich auch möglich, Schichtglas, beispielsweise Glasplatten oder Glasfilme, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandeln, In gleicher Weise kann man bereits hergestellte Stränge, Garne, Lunten oder Gewebe, die zur Entfernung von Schlichte oder für eine Wärmebehandlung auf eine erhöhte Temperatur gebracht worden sind, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandeln und dadurch ihre Verschleißfestigkeit verbessern.

Der Ausdruck »Verschleißfestigkeit« soll im nor- i°o malen Sinne dieses Wortes verstanden werden, gleichzeitig aber auch jede Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb irgendwelcher Art, Reißen und Schneiden umfassen. Glasfaden haben nämlich beim Biegen oder Verdrillen die Eigenschaft, daß sie sich sehr leicht abreiben und gegenseitig zerschneiden oder zum Reißen bringen.

Fig. ι zeigt die allgemeine · Anordnung einer Vorrichtung zur Herstellung von Glasfäden und Sammlung derselben zu einer Lunte, die zu einer no Spule auf einer entsprechenden Hülse aufgewickelt wird. Ein Glasschmelzofen 10, der in einer zentralen Wanne das geschmolzene Glas aufnimmt, steht an seinem unteren Ende mit einer Zuführungsvorrichtung 12 iii Verbindung. Diese Zuführungs- vorrichtung besteht aus Platin oder einer entsprechenden Metallegierung und erstreckt sich bis unter die Unterfläche eines hitzebeständigen Blocks •13, wobei die Auslaßöffnungen 14 in einer oder mehreren Reihen an der Unterseite der Zuführungsvorrichtung angeordnet sind und die auszuziehenden geschmolzenen Glasströme 15 abgeben, aus denen die Fäden 16 ausgezogen werden. Diese Fäden 16 werden an der Sammelvorrichtung 18 gesammelt und dann als Lunte auf die Spule 20 aufgewickelt.' Die Lunte 19 wird dabei mit.Hilfe der

Vorrichtung-21 kontinuierlich über die Länge der Spule 20 hin- und hergeführt.

Die elektrostatische Behandlung des Glases wird in dem geschilderten Ausführungsbeispiel durch Anlegen einer Hochspannung an ein Paar stabförmiger Elektroden 25 durchgeführt, die beiderseits der aus der Zuführungsvorrichtung 12 austretenden Ströme parallel zueinander angeordnet sind. Die Elektroden 25 bestehen aus leitendem Material, beispielsweise poliertem Messing, so daß eine gleichmäßige Verteilung des zwischen ihnen und den Glasfäden vorhandenen elektrostatischen Feldes gewährleistet ist. Die Elektroden sitzen an einem Paar von Zuleitungsstangen 26, die verschiebbar in Isolationsgliedern 27 montiert sind. Diese Isolatoren sind an der Unterseite des Ofens 10 befestigt. Die Elektroden 25 können in senkrechter Richtung durch Heben und Senken der Isolatoren 27 mit Hilfe von nicht gezeichneten, an der Anbringstelle am Ofen 10 einzusetzenden Abstandsstücken verstellt werden. Eine horizontale Abstandsänderung der Elektroden wird durch Verstellen ihrer Haltestäbe 26 in den Isolatoren· 27 bewirkt.

An den Haltestangen 26 sind die Elektroden in geeigneter Weise, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, befestigt.

Beide Elektroden 25 sind über ihre Haltestäbe 26 an ein Hochspannungsgleichstrompotential· 28 über einen. Widerstand R angeschlossen. Die Hochspannung kann durch eine an sich bekannte übliche Hochspannungserzeugungsanlage erzeugt werden. Eine Seite der Hochspannungsquelle ist geerdet, so daß man dem Elektrodenpotential wahlweise eine negative oder eine positive Polarität bezüglich der Erdung geben kann. Da beide Elektroden 25 an eine gemeinsame Anlage 29 der Hochspannungsquelle 28 angeschlossen sind, haben sie die gleiche Spannung und Polarität.

Die Zuführungsvorrichtung 12 befindet sich allgemein auf Erdpotential, und die Ströme 15 sind infolge ihrer Leitfähigkeit demnach ebenfalls auf Erdpotential. Somit entwickelt das an den Elektroden liegende Hochspannungspotential ein elektrostatisches Feld, dessen Kraftlinien von den Elektroden zu den Glasfäden verlaufen, wie es in Fig. 2 schematisch angedeutet ist.

In der Praxis wird das Potential der Elektroden 25 auf einem Wert gehalten, der etwas unterhalb der Funkenüberschlagspannung zum Glas liegt. Der Abstand der Elektroden vom Boden der Zuführungsvorrichtung 12 bestimmt gleichzeitig die auf die Elektroden zu legende höchstmögliche Spannung, weil ein Funkenüberschlag zwischen Elektrod en und Zuführungsvorrichtung 12 verhindert werden muß.

- Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Einrichtung haben die Elektroden einen Durchmesser von 63 cm und einen Abstand von 24 mm von den austretenden Glasströmen und sitzen 48 mni unterhalb der Unterkante der Ajstrittsöffnungen 14.

Der Durchmesser des Konus an der Austrittsstelle der Austrittsöffnungen liegt in der Größen ordnung von 0,3 mm, während der Durchmesser der verfestigten Fäden in der Größenordnung von ι : 1000 mm liegt.

Die Zuführungsvorrichtung hat, wie bereits erwähnt, eine Temperatur von etwa 1300⁰. Die Spannung beträgt 5000 V und darüber.

Der Erfolg dieser Behandlung besteht darin, daß die Lebensdauer der zu einer Lunte zusammengefaßten Fäden bei Biegeprüfungen 10- bis i5omal so groß ist wie die Lebensdauer nicht behandelter, in gleicher Weise zusammengefaßter und geprüfter Glasfäden.

Die Fig. 3A und 3B zeigen die Unterschiede zwischen den Oberflächen behandelter und unbehandelter Fäden oder Fasern bei 20 ooofacher Vergrößerung durch ein Elektronenmikroskop. Die Fig. 3A und 3B sind zeichnerische Wiedergaben fotografischer Reproduktionen elektronenmikroskopischer Aufnahmen.

Diese Aufnahmen zeigen, daß die unbehandelten, in Fig. 3A dargestellten Fäden eine verhältnismäßig glatte Oberfläche aufweisen, während die in 8g Fig. 3B dargestellten Fäden eine aufgerauhte Oberfläche· besitzen. Es läßt sich erkennen, daß die Oberflächenrauheit der behandelten Fasern fein gekörnt ist, was die Ursache dafür sein mag, daß die Zugfestigkeit durch die elektrostatische Behandlung nicht verschlechtert wird.

Offensichtlich ist die Aufrauhung der Oberfläche nicht so groß, daß die Fäden, wesentlich geschwächt werden.

Die Tatsache, daß die Biegefestigkeit der behandelten Fäden größer als die der glatten Fäden ist, geht auf den Unterschied im Reibungskoeffizienten zurück.

Die bei den Biegeversuchen vor sich gehenden Vorgänge bestehen grundsätzlich in einer Reibung der Fäden untereinander, so daß die Fäden durch benachbarte Fäden angekratzt werden und schließlich bei Ausübung von Biege- oder Zugkräften brechen.

Es kann angenommen werden, daß durch die aufgerauhte Oberfläche die innige Berührung zwischen den Fasern, wie es bei glatt oberflächigen Fasern der Fall ist, vermieden und damit die Gefahr einer Beschädigung der Oberflächen herabgesetzt wird.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Fasern zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit elektrostatisch behandelt und gleichzeitig zur Verbesserung der Abriebfestigkeit mit einem Metallüberzug versehen werden.

Bei dieser Anordnung liefert der Ofen 60 die Schmelzglasströme 62 aus den Austrittsöffnungen 61. Die Ströme 62 passieren die Hochspannungselektroden 64, wo sie elektrostatisch aufgerauht und anschließend in Fäden 63 ausgezogen werden. Die verfestigten und aufgerauhten Fäden 63 laufen an einer oder mehreren elektrostatisch, betriebenen Metallüberzugsvorrichtungen 65 vorbei, aus denen die von einem der Vorrichtung zugeführten Draht

66 stammenden Metallgglchen auf die Fäden 63 zur Herstellung des gewunscTiten Überzugs aufgebracht werden.

Als Metallüberzugsma|erial haben sich Kupfer, Messing, Molybdän, 15Bl£tam, Nickel, Aluminium, Zink und Zinn oder^Eegürungen solcher Metalle bewährt. T

Je kleiner der für den Überzugsvorgang verwendete Draht ist, desto geringer ist auch die für das Aufbrechen des--Drahtes in Teilchen notwendige Spannung.

Obwohl das Überziehen der behandelten Glasfasern mit Hilfe eines elektrostatischen Überzugsapparates im vorstehenden als Ausführungsbeispiel genannt worden ist, können die aufgerauhten Oberflächen mit dem gleichen Erfolg auch auf andere Weise mit Metall überzogen werden, beispielsweise dadurch, daß man die Fäden durch geschmolzenes Metall führt

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Glasfasern, bei dem die Glasfasern beim Ausziehen aus einem Strom geschmolzenen Glases im heißen und verformbaren Zustand durch ein elektrostatisches Feld geführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialgradient des zwischen den Elektroden einerseits und den Schmelzglasströmen andererseits gebildeten elektrostatischen Feldes knapp unterhalb des Funkenüberschlagwertes liegt und die Schmelzglasströme im Bereich dieses Feldes zu Glasfasern mit durch die Einwirkung dieses Feldes unebenen und aufgerauhten Oberflächen verfestigt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Faden- oder Faseroberfläche zur Ausfüllung der Aufrauhungen und Unebenheiten und zur Herstellung eines Überzuges Metall in bekannter Weise aufgebracht wird.
3. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erhitzte und verformbare Teil des Glases vollständig im elektrostatischen Feld liegt.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostatische Feld von Elektroden in der Nachbarschaft der- Glasströme aufgebaut wird, wobei der Abstand der Elektrode von den Austrittsöffnungen der Glaswanne größer als der vom Glasstrom ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Durchgang der Glasströme durch das elektrostatische Feld Glasströme in bekannter Weise gegen das Glas gerichtet werden.

   6i Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Durchgang der Glasströme durch das elektrostatische Feld Glasströme in bekannter Weise gegen das Glas gerichtet werden.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Auszüge deutscher Patentanmeldungen, Bd. 19, S. 732, Az. L 114611 \^rIa;

   deutsche Patentschrift Nr. 687 185;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 048 651.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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