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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Spinnen von anorganischen Fasern mittels eines Hochgeschwindigkeits-Luftstroms, dadurch gekennzeichnet, dass man geschmolzenes, anorganisches, faserbildendes Material aus mindestens einer im Boden eines Schmelzofens angebrachten Düsenöffnung in Fadenform nach unten fliessen lässt, den verfestigten, faserförmigen Teil des Materials in die obere Öffnung eines unterhalb der Düsenöffnung vertikal angeordneten Fadenführungsrohres einleitet, Druckluft aus einem ringförmigen Schlitz, der um das untere Ende des Fadenführungsrohres herum in Form eines nach unten abnehmenden stumpfen Kegels verläuft, ausstösst und solcherart in ein anschliessend an den ringförmigen Schlitz unterhalb des Fadenführungsrohrs koaxial angeordnetes Beschleunigungsrohr eintreten lässt, dass sie im Zentrum des Beschleunigungsrohrs einen Hochgeschwindigkeits-Luftstrom bildet,
so dass der kontinuierlich gesponnene und in das Fadenführungsrohr eingeleitete und danach in das Beschieunigungsrohr einiretende, verfestigte, faserförmige Teil des anorganischen Materials im Beschleunigungsrohr durch den Hochgeschwindigkeits-Luftstrom der Einwirkung einer Zugkraft ausgesetzt ist.
2. Vorrichtung zur kontinuierlichen Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schmelzofen (1) mit mindestens einer in seinem Boden angebrachten Düsenöffnung (3), ein unterhalb der Düsenöffnung vertikal angeordnetes Fadenführungsrohr (4) mit einer oberen Öffnung (5) und einer unteren Öffnung (6), dessen unteres Ende solcherart ausgebildet ist, dass es zusammen mit einer um dieses herum angeordneten Druckluftkammer (10) einen ringförmigen Schlitz (11) bildet, der in Form eines nach unten abnehmenden stumpfen Kegels verläuft, und durch ein unterhalb des Fadenführungsrohres koaxial angeordnetes, mit der Druckluftkammer verbundenes Beschleunigungsrohr (14).
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Spinnen von anorganischen Fasern aus einer Schmelze von anorganischem faserbildendem Material, beispielsweise Glas, Gestein, Schlacke, mittels eines Hochgeschwindigkeits Luftstroms, und auf eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Ausführung des Verfahrens.
Konventionelle Verfahren zur Herstellung von Fasern durch Schmelzspinnen sind beispielsweise das Flammenblasverfahren, Zentrifugalverfahren, Hochgeschwindigkeits Wickelverfahren unter mechanischer Verstreckung und dergleichen. Zur Herstellung von feinen anorganischen Fasern gelangt im allgemeinen das Flammenblasverfahren zum Einsatz, wobei als Brennstoff Petroleum verwendet wird. Ein faserbildendes, anorganisches Material, beispielsweise geschmolzenes Glas, wird dabei durch eine mittels eines Brenners oder dergleichen erzeugte Hochdruckflamme zu feinen Fasern ausgeblasen, wobei beispielsweise Glas-Stapelfasern erhalten werden. Bei diesem Flammenblasverfahren ist es kaum möglich, lange Fasern herzustellen. Ausserdem werden grosse Mengen Brennstoff benötigt, und die Produktionsrate ist ungenügend.
Ein besonderes Problem ergibt sich ausserdem in letzter Zeit aus den Schwierigkeiten in der Rohölbeschaffung.
Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten ist es sehr erwünscht, ein Verfahren mit hoher Produktionskapazität zu schaffen, das ohne flüssige Brennstoffe betrieben werden kann. Um diesen Anforderungen zu genügen, wurde in letzter Zeit eine Hochgeschwindigkeits-Spinnmethode unter Verwendung eines Luftstroms erforscht. Ein Verfahren zur Herstellung von organischen Fasern durch Schmelzspinnen eines Polymers wurde in "The Journal of Textile Society", Bd. 30, Nr. 2, 1974 in einem Artikel "The High Speed Spinning by Using an Air Jet Nozzle" beschrieben. Hinsichtlich anorganischer Fasern war es jedoch bisher unmöglich, selbst nach dem vorstehend genannten Luftstrom-Spinnverfahren eine genügende Produktionskapazität zu erreichen. Demzufolge gelangte dieses Verfahren bisher noch nicht zum industriellen Einsatz für die Herstellung von anorganischen Fasern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von anorganischen Fasern mittels eines Hochgeschwindigkeits-Luftstroms zu schaffen, das höhere Produktionskapazität und die Herstellung von längeren Fasern ermöglicht.
Es wurde gefunden. dass eine einzigartige Kombination einer bestimmten Länge eines Fadenführungsrohrs, einer bestimmten Länge eines an das Fadenführungsrohr anschliessenden Beschleunigungsrohrs und eines zwischen diesen beiden Rohren einmündenden ringförmigen Schlitzes, der um das untere Ende des Fadenführungsrohrs herum in Form eines nach unten abnehmenden stumpfen Kegels verläuft und das Einblasen von Druckluft solcherart ermöglicht, dass im Zentrum des Beschleunigungsrohrs ein Luftstrom gebildet wird, hervorragende Resultate ermöglicht.
Das auf dieser Erkenntnis beruhende erfindungsgemässe Spinnverfahren ist im Patentanspruch 1 definiert.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die im Patentanspruch 2 definierte Vorrichtung zur kontinuierlichen Ausführung des Verfahrens.
Der bei Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung im Inneren des Fadenführungsrohrs und des Beschleunigungsrohrs auftretende Hochgeschwindigkeits-Luftstrom übt auf den verfestigten, faserförmigen Teil des anorganischen, faserbildenden Materials eine Zugkraft aus, so dass dieses kontinuierlich durch diese beiden Rohre hindurchgezogen wird. Ausserdem wird das fadenförmige Material durch den Luftstrom solcherart durch die beiden Rohre hindurchgeleitet, dass es nicht mit der Innenwandung dieser Rohre in Berührung tritt. Hierdurch gelangen keine unnatürlichen mechanischen Kräfte zur Einwirkung auf das Material, so dass die anorganische Faser kontinuierlich und ohne öftere Faserbrüche anfällt.
Durch die Einführung des verfestigten faserförmigen Teils des anorganischen Materials in das unterhalb der Düsenöffnung vertikal angeordnete Fadenführungsrohr wird es ermöglicht, das geschmolzene anorganische Material auch aus mehreren Düsenöffnungen gleichzeitig ausfliessen zu lassen und die verfestigten Teile gemeinsam in das Fadenführungsrohr einzuleiten, ohne dass sich die einzelnen fadenförmigen Teile ineinanderschlingen, so dass das Spinnverfahren stabil und mit höherer Produktionskapazität ausgeführt werden kann.
Im nachstehenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung in Seitenansicht, und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das untere Ende der Vorrichtung gemäss Fig. 1 in vergrössertem Massstab.
Für die Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung wird das faserbildende, anorganische Material im Schmelzofen 1 geschmolzen und gelagert. Bei der Verwendung von Soda/Kalk-Glas beträgt die Temperatur der Schmelze im Schmelzofen 1 beispielsweise 1100 bis 1400 ob. Glas als Ausgangsmaterial wird vorzugsweise nach einem elektrischen Schmelzverfahren, das eine genaue Einstellung der Temperatur ermöglicht, geschmolzen. Beson
ders bevorzugt wird die Schmelze entweder durch direkte Widerstandsheizung allein oder in Kombination mit indirekter Beheizung, beispielsweise Strahlenheizung, hergestellt.
Da bei direkter Widerstandsbeheizung die Erwärmung durch Wärmeerzeugung im Glas selbst erfolgt, liegt der Vorteil dieser Methode darin, dass die Temperatur im Bodenteil des Schmelzofens in der Umgebung der Düsenöffnung 3 schnell und genau eingestellt werden kann.
Die Temperatur der Schmelze im Ofen kann mittels eines Thermoelementes, eines optischen Pyrometers oder dergleichen festgestellt werden. Uber einen Temperaturregler kann die Temperatur der Schmelze automatisch reguliert werden.
Das Niveau der Schmelze im Schmelzofen kann durch automatische Zufuhr von neuem Ausgangsmaterial, entsprechend der Menge des aus der Düsenöffnung 3 ausfliessenden geschmolzenen Materials konstant gehalten werden.
Im Boden des Schmelzofens 1 befindet sich eine Düsenplatte 2. Nach Öffnen einer Düsenöffnung 3 in der Düsenplatte 2 fliesst die Schmelze in Fadenform nach unten. Im vorliegenden Fall besteht die Schmelze aus Glas, und die lichte Weite der Düsenöffnung 3 beträgt 1 bis 6 mm. Das aus der Düsenöffnung 3 ausfliessende geschmolzene Glas verfestigt sich in Abhängigkeit von der lichten Weite der Düsen öffnung in einem Abstand von 30 bis 60 mm unterhalb der Düsenöffnung. Ein Fadenführungsrohr 4 ist in einem Abstand von beispielsweise 200 bis 1000 mm unterhalb der Düsenöffnung vertikal angeordnet, weist eine lichte Weite von 2 bis 4 mm und eine Länge von 150 bis 1300 mm auf. Der verfestigte Teil des faserförmigen Materials wird in das Fadenführungsrohr 4 durch dessen obere Öffnung 5 eingeleitet.
Falls das Fadenführungsrohr zu kurz ist, ergibt sich eine ungenügende Saugstromwirkung. Falls es zu lang ist, wird die Saugstromkraft jedoch durch den Widerstand des durch das Rohr hindurchlaufenden Fasermaterials und Luftstroms vermindert. Es ist somit wichtig, eine zweckentsprechende Länge des Fadenführungsrohrs zu wählen.
In Fig. 2 ist dargestellt, dass das Fadenführungsrohr 4 eine veränderte Form der unteren Öffnung 6 aufweist. Die untere Öffnung 6 ist mit einem Mundstück 7 versehen, das einen Teil des Fadenführungsrohrs 4 darstellt. Der äussere Umfang des unteren Endes des Fadenführungsrohrs verläuft in Form eines nach unten abnehmenden stumpfen Kegels.
Um diesen unteren Teil des Fadenführungsrohrs 4 und das Mundstück 7 herum ist eine Druckluftkammer 10 angeordnet, deren Aussenwandung 8 im unteren Teil konisch nach unten abnehmend verläuft und im oberen Teil mit einem dicht schliessenden Deckel verschlossen ist. Der äussere Umfang der unteren Öffnung 6 und das Mundstück 7 des Fadenführungsrohrs 4 und die Innenwandung des unteren Teils der Druckluftkammer 10 bilden zusammen einen ringförmigen Schlitz 11, der in Form eines nach unten abnehmenden stumpfen Kegels verläuft.
Das Mundstück 7 ist mit der Innenwandung 8 des zylindrischen Teils der Druckluftkammer 10 verschraubt. Die lichte Weite des ringförmigen Schlitzes 11 ist durch Verstellen dieser Schraubverbindung regulierbar und beträgt vorzugsweise 0,2 bis 1,5 mm, insbesondere 0,2 bis 0,5 mm. Die Neigung des konvergierenden Schlitzes 11 beträgt zweckmässig 15 bis 30C zur Längsachse des Fadenführungs- und des Beschleunigungsrohrs. Druckluft wird der Druckluftkammer 10 von einem Kompressor 12 über einen Druckbehälter 13 in von Staub und Ol gereinigtem Zustand mit einem Überdruck von 3 bis 7 bar zugeführt. Unterhalb des Fadenführungsrohres ist koaxial ein mit der Druckluftkammer verbundenes Beschleunigungsrohr 14 angeordnet.
Das Beschleunigungsrohr 14 wird durch den unteren Teil der Wandung 8 der Druckluftkammer und ein Rohr 15, das mit diesem unteren Teil der Kammerwandung 8 verschraubt ist, gebildet. Die Länge des Beschleunigungsrohrs 14 ist wichtig zur Erzielung einer zweckentsprechenden Zugkraft auf den im Beschleunigungs- und Fadenführungsrohr befindlichen, verfestigten, faserförmigen Teil des anorganischen Materials. In Abhängigkeit vom vorstehend erwähnten Neigungswinkel des konvergierenden Schlitzes 11 wird die Länge des Beschleunigungsrohrs 14 zweckmässig in einem Bereich von 40 bis 150 mm, gerechnet von der unteren Öffnung 6 des Fadenführungsrohres an, gehalten. Die lichte Weite des Beschleunigungsrohrs 14 ist zweckmässig gleich oder geringfügig grösser als diejenige des Fadenführungsrohres 4 und liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 5 mm.
Diese beiden Rohre stehen miteinander in Verbindung und die obere Öffnung 5 des Fadenführungsrohrs 4 wie auch die untere Öffnung des Beschleunigungsrohrs 14 sind gegen die Umgebungsatmosphäre offen. Die lichte Weite des Beschleunigungsrohrs kann von gleichbleibendem Durchmesser sein, weist jedoch vorzugsweise unterschiedliche Durchmesser, mit grösserem Durchmesser am unteren Austrittsende auf, so dass es also trompetenähnliche Form aufweist.
Die Druckluftkammer 10 ist so eingerichtet, dass durch den konvergierenden Schlitz 11 Druckluft in einer Menge von 40 bis 500 I/min ausgestossen werden kann, wobei der ringförmig ausgestossene Druckluftstrahl gegen das Zentrum des Beschleunigungsrohrs 14 hin unter Bildung eines Luftstrahls konvergiert. Dieser Luftstrahl übt auf den im Tnneren des Beschleunigungsrohrs 14 befindlichen verfestigten Teil der Glasschmelze eine nach unten ziehende Zugkraft aus, und gleichzeitig wird durch Ejektorwirkung im Fadenführungsrohr 4 ein Unterdruck erzeugt. Falls das Beschleunigungsrohr zu kurz ist, wird die auf den verfestigten Teil der Glasschmelze einwirkende Zugkraft herabgesetzt. Dies scheint auf die Kürze eines Hochgeschwindigkeits-Stromteils innerhalb des Beschleunigungsrohrs zurückzuführen zu sein.
Falls das Beschleunigungsrohr zu lang ist, steigt jedoch der innere Widerstand dieses Rohrs an. Hierdurch wird der Innendruck erhöht, so dass es kaum möglich ist, im Fadenführungsrohr einen Unterdruck zu erzeugen, wodurch die kontinuierliche Bildung langer Glasfasern verhindert wird. Die Länge des Beschleunigungsrohrs muss somit in einem zweckentsprechenden Bereich gehalten werden.
Wie bereits erwähnt liegt die Länge des Beschleunigungsrohrs zweckmässig in einem Bereich von 40 bis 150 mm, wobei jedoch zu beachten ist, dass die Saug- und Zugkräfte wirksamer erhältlich sind, wenn die Länge des Beschleunigungsrohrs genau auf die Länge des Fadenführungsrohrs abgestimmt wird. Ein bevorzugtes Verhältnis der Länge des Beschleunigungsrohrs zu derjenigen des Fadenführungsrohrs liegt im Bereich von 1: 0,2. Besonders zweckmässig ist es, wenn die Länge des Beschleunigungsrohrs 100 bis
150 mm und · bis 1A 0 der Länge des Fadenführungsrohrs beträgt.
Durch den bei der Ausführung des beschriebenen Verfahrens mittels der beschriebenen Vorrichtung im Fadenführungsrohr 4 und im Beschleunigungsrohr 14 gebildeten Hochgeschwindigkeits-Luftstrom wird auf den verfestigten faserförmigen Teil der Glasschmelze eine Zugkraft ausgeübt, durch welche dieser Teil verstreckt wird, so dass kontinuierlich und in stabiler Weise Glasfasern mit einem Durchmesser von 3 bis 25 ,um gesponnen werden können. Derartig stabiles Spinnen von Glasfasern ist der Tatsache zuzuschreiben, dass der Luftstrom im allgemeinen im Zentrum des Rohrs schneller verläuft und der Druck im Rohrinneren im Zentrum relativ zum Druck in der Nähe der Innenwandung des Rohrs niedrig ist.
Somit wird die Glasfaser sowohl im Fadenführungsrohr wie auch im Beschleunigungsrohr im Zentrum des Rohrs gehalten, und die aus dem Hochgeschwindigkeits Luftstrom resultierende Zugkraft kann über die gesamte Länge der in diesen beiden Rohren befindlichen Glasfaser einwirken, ohne dass diese mit der Rohr-Innenwandung in Berührung tritt. Die Erfindung ermöglicht somit die kontinuierliche Herstellung von Glasfilamenten, was nach konventionellen Verfahren kaum möglich ist.
Die nach der Erfindung erzielbare Produktionskapazität kann weiterhin erhöht werden durch wirksame Anwendung der aus der vorstehend beschriebenen Ejektorwirkung resultierenden Zugkraft für die Fortbewegung der Fasern, da die fadenförmig aus der Düsenöffnung geflossene Glasschmelze innert sehr kurzer Zeitdauer und innerhalb eines kurzen Weges auf den erwünschten Faserdurchmesser verstreckt und verfestigt werden muss. Nach der Verfestigung kann die Faser kaum verstreckt werden und wird in diesem Zustand durch die Ejektorwirkung durch das Fadenführungsrohr und das Beschleunigungsrohr getrieben. Es wurde gefunden, dass es zur Erfüllung der vorstehenden Anforderung besonders wirksam ist, die Temperatur der Atmosphäre unterhalb der Düsenöffnung herabzusetzen, ohne jedoch die Innentemperatur des unteren Teils des Schmelzofens in der Umgebung der Düsenöffnung zu vermindern.
Die Spinnkapazität wurde durch die nachstehend beschriebene Versuchsanordnung in grossem Ausmass erhöht:
Die Temperatur der Atmosphäre im Teil 19 gemäss Fig. 1, etwa 300 mm unterhalb der Düsenöffnung, wird auf einen Bereich von 350 bis 100 "C unterhalb des Erweichungspunktes der Schmelze gekühlt. Dies kann durch Kühlung entweder mittels eines Wasser-Kühlmantels oder mittels Kühlluft erfolgen.
Beispiel 1
Auf der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wurde ein verfestigtes Filament aus einer Glasschmelze in das Fadenführungsrohr eingeleitet. Die Länge X2 des Beschleunigungsrohrs betrugt 60 mm, der Abstand B3 zwischen Düsenöffnung und oberer Öffnung des Fadenführungsrohrs betrug 1000 mm, die lichte Weite dl des Fadenführungsrohrs betrug 2 mm, die lichte Weite d2 des Beschleunigungsrohrs betrug 3 mm, der Neigungswinkel a des in Form eines nach unten abnehmenden stumpfen Kegels verlaufenden Schlitzes zur Längsachse des Fadenführungsrohrs betrug 20', die lichte Weite W dieses Schlitzes betrug 0,5 mm, die lichte Weite d3 der Düsenöffnung betrug 3 mm, und die Druckluft wurde mit einem Überdruck P von 5 bar zugeführt.
Die Temperatur T1 der Glasschmelze betrug 1300 C und die Temperatur T2 der Atmosphäre in einem Teil 250 mm unterhalb der Düsenöffnung betrug 300 "C.
Für die Ausführung von verschiedenen Spinnversuchen mit unterschiedlichen Spinngeschwindigkeiten in m/min und einer pro Fadenführungsrohr und Zeiteinheit versponnenen gleichbleibenden Schmelze von 200 g/h wurde die Länge X des Fadenführungsrohrs im Bereich von 300 bis 1000 mm vaniert.
Die jeweilige Länge des Fadenführungsrohrs, die Spinngeschwindigkeit in jeweils vier Spinnversuchen und der Durchmesser der jeweils erhaltenen Glasfaser sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1 kl mm Spinngeschwindigkeit, m/min Faserdurchmesser
Spinnversuch 2 2 3 4 Durchschnitt ,um 300 3240 3500 2930 2930 3150 23,3
400 3720 4080 4340 3460 3900 20,9
500 4080 4200 3960 3960 4050 20,5
600 4200 4080 4920 4800 4500 19,4
800 6170 5630 5800 5240 5710 17,3 1000 6150 6300 6600 6310 6340 16,4 Beispiel2
Unter verwendung der in Fig.
1 dargestellten Spinnvorrichtung wurde unter Einleitung des verfestigten Teils einer Glasschmelze in das Fadenführungsrohr unter den nachstehenden Bedingungen ein Endlosfilament gesponnen, wobei die Länge des Fadenführungsrohrs B1 und des Beschleunigungsrohrs 2 in den angegebenen Bereichen und auch die Temperatur T2 der Atmosphäre 250 mm unterhalb der Düsenöffnung variiert wurden:
: Temperatur der Glasschmelze, T, 1320 'C Temperatur der Atmosphäre 250 mm unterhalb der Düsenöffnung, T2 300-400 C lichte Weite der Düsenöffnung, d3 3 mm Überdruck der Druckluft, P 5 bar Neigungswinkel des konvergierenden Schlitzes zur Längsachse des Fadenführungsrohrs, a 20 lichte Weite des konvergierenden Schlitzes, W 0,2 mm lichte Weite des Fadenführungsrohrs, d, 2 mm lichte Weite des Beschleunigungsrohrs, d2 3 mm Abstand zwischen der Düsenöffnung und der oberen Öffnung des Fadenführungsrohrs, X3 300 mm Länge des Fadenführungsrohrs, xl 150-1150 mm Länge des Beschleunigungsrohrs, Ä2 100-150 mm
Die jeweilige Temperatur T2 in "C, die jeweilige Länge des Fadenführungs- bzw.
Beschleunigungsrohrs in mm, Spinngeschwindigkeit in den verschiedenen Versuchen in m/min, pro Fadenführungsrohr und Zeiteinheit versponnene Glasschmelze in g/h und der Durchmesser des jeweils erhaltenen Filamentes in ,um sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 2
T2 1 2 Spinngeschwindigkeit, m/min versponnene Glas- Faserdurchmesser schmelze
Spinnversuch
C mm mm 1 2 3 Durchschnitt g/h
300 150 100 3330 3330 3180 3280 187 22,0
300 150 150 3270 2950 3620 3280 174 21,2
300 400 125 5460 4850 4870 5060 246 20,3 300 650 125 9160 7840 7900 8300 310 17,8 300 800 125 7980 8460 7020 7820 298 18,0 300 1150 125 6660 6420 7050 6710 265 18,3 400 400 125 4380 4610 4810 4600 206 19,5 400 650 125 6040 6140 6330 6170 210 17,0
Beispiel 3
Beispiel 2 wurde mit den nachstehenden-Ausnahmen wiederholt, dass in das Fadenführungsrohr 1 bzw.
5 verfestigte(r) Teil(e) eingeleitet wurde(n), die lichte Weite d3 der Düsenöffnung 2,5 mm, die Länge x2 des Beschleunigungsrohrs 125 mm, die Temperatur T2 der Atmosphäre im Teil 250 mm unterhalb der Düsenöffnung 300 "C betrug und die Länge h, des Fadenführungsrohrs variiert wurde. Die jeweilige Spinngeschwindigkeit pro Filament in m/min, die jeweilige pro Fadenführungsrohr und Zeiteinheit versponnene Glasschmelze in g/h und der Durchmesser des jeweils erhaltenen Filamentes in llm sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Tabelle 3
Anzahl Filamente pro X, Spinngeschwindigkeit m/min versponnene Glas Faserdurchmesser
Fadenführungsrohr schmelze
Spinnversuch mm 1 2 3 Durchschnitt g/h
1 150 4250 3560 4040 3950 47 10,0
1 400 6620 5480 6200 6100 41 7,6
1 650 11000 9940 9120 10020 55 6,8
1 800 8710 9700 8680 9030 52 ' 7,0
1 1150 5420 4920 4810 5050 41 8,4 5 150 1040 940 870 950 58 10,2 5 400 1580 1420 1380 1460 52 7,8 5 650 2550 2490 2190 2410 66 6,8 5 800 2170 2350 1960 2160 64 7,1 5 1150 1330 1200 1160 1230 51 8,4
Während in den Beispielen 1 und 2 das kontinuierliche
Spinnen des Einzelfilamentes beschrieben ist, ist es möglich, durch Erhöhen der Anzahl Düsenöffnungen im Schmelz ofen, wie in Beispiel 3 beschrieben, gleichzeitig mehrere Fila mente zu spinnen.
Weiterhin ist das erfindungsgemässe Verfahren nicht auf die ausschliessliche Verwendung von Glas als anorganisches Ausgangsmaterial beschränkt, sondern es können beliebige andere anorganische, faserbildende Materialien, wie Gestein, Schlacke, Zement/Glas-Gemische, Siliciumdioxid und Gemische davon mit Aluminiumoxid und dergleichen, als Aus bei höherer Produktionskapazität längere Fasern zu spinnen als nach konventionellen Verfahren. Dieser Vorteil ist besonders hervorragend, wenn Fasern mit einem Durchmesser im Bereich von 15 bis 25 im gesponnen werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass es im Gegensatz zu konventionellen Methoden möglich ist, kontinuierlich lange Filamente ohne den Einsatz einer Aufspuleinrichtung zu spinnen. Die Fasern können somit ohne Schwierigkeiten zu Matten, Filzen und Nonwovensjeder beliebigen Form verarbeitet werden. gangsmaterialien verwendet werden.
Die Vorteile der Erfindung sind jedoch bei der Verwendung von Glas als Ausgangsmaterial besonders augenfällig, da es nach dem erfindungsgemässen Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung möglich ist,
Die nach dem beschriebenen Verfahren erhältlichen langen Fasern können vorteilhaft eingesetzt werden für die Herstellung von Matten zur Verwendung in Akkumulatoren, Dachisolationen, Filtern, Wärme- und Schallisolationen sowie als Verstärkungsmaterial für Kunststoffe und Zement.
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PATENT CLAIMS
1. A method for spinning inorganic fibers by means of a high-speed air stream, characterized in that molten, inorganic, fiber-forming material flows down from at least one nozzle opening in the bottom of a melting furnace in a thread shape, the solidified, fibrous part of the material into the introduces the upper opening of a thread guide tube arranged vertically below the nozzle opening, ejects compressed air from an annular slot which runs around the lower end of the thread guide tube in the form of a truncated cone which decreases downwards and thus coaxially arranged in a connection to the annular slot below the thread guide tube Accelerator tube occurs that it forms a high-speed air flow in the center of the accelerator tube,
so that the continuously spun, solidified, fibrous part of the inorganic material in the acceleration tube, which is introduced into the thread guide tube and then enters the acceleration tube, is subjected to the action of a tensile force by the high-speed air flow.
2. Device for the continuous execution of the method according to claim 1, characterized by a melting furnace (1) with at least one nozzle opening in its bottom (3), a vertically arranged below the nozzle opening thread guide tube (4) with an upper opening (5) and one lower opening (6), the lower end of which is formed in such a way that, together with a compressed air chamber (10) arranged around it, forms an annular slot (11) which runs in the form of a truncated cone which decreases downwards, and through a below the Thread guide tube coaxially arranged, connected to the compressed air chamber acceleration tube (14).
The present invention relates to a method for spinning inorganic fibers from a melt of inorganic fiber-forming material, for example glass, rock, slag, by means of a high-speed air flow, and to an apparatus for continuously carrying out the method.
Conventional processes for the production of fibers by melt spinning are, for example, the flame blowing process, centrifugal process, high-speed winding process with mechanical stretching and the like. The flame blowing process is generally used to produce fine inorganic fibers, with petroleum being used as fuel. A fiber-forming, inorganic material, for example molten glass, is blown out into fine fibers by a high-pressure flame generated by means of a burner or the like, whereby, for example, glass staple fibers are obtained. With this flame blowing process it is hardly possible to produce long fibers. In addition, large amounts of fuel are required and the production rate is insufficient.
A particular problem has recently arisen from the difficulties in obtaining crude oil.
In view of these difficulties, it is very desirable to provide a high production capacity process that can operate without liquid fuels. In order to meet these requirements, a high speed spinning method using an air stream has recently been researched. A method for producing organic fibers by melt spinning a polymer was described in "The Journal of Textile Society", Vol. 30, No. 2, 1974 in an article "The High Speed Spinning by Using an Air Jet Nozzle". With respect to inorganic fibers, however, it has so far been impossible to achieve sufficient production capacity even by the airflow spinning method mentioned above. As a result, this method has not yet been used industrially for the production of inorganic fibers.
It is an object of the present invention to provide a process for the production of inorganic fibers by means of a high-speed air flow, which enables higher production capacity and the production of longer fibers.
It was found. that a unique combination of a certain length of a thread guide tube, a certain length of an accelerating tube adjoining the thread guide tube and an annular slot which opens between these two tubes and which runs around the lower end of the thread guide tube in the form of a blunt cone which decreases downwards and the blowing in of Compressed air allows such that an air flow is formed in the center of the accelerator tube, which enables excellent results.
The spinning method according to the invention based on this knowledge is defined in claim 1.
Another object of the invention is the device defined in claim 2 for the continuous execution of the method.
The high-speed air flow occurring when the method according to the invention is carried out using the device according to the invention inside the thread guide tube and the acceleration tube exerts a tensile force on the solidified, fibrous part of the inorganic, fiber-forming material, so that it is continuously pulled through these two tubes. In addition, the thread-like material is passed through the two tubes by the air flow in such a way that it does not come into contact with the inner wall of these tubes. As a result, no unnatural mechanical forces act on the material, so that the inorganic fiber is produced continuously and without frequent fiber breaks.
By introducing the solidified fibrous part of the inorganic material into the thread guide tube arranged vertically below the nozzle opening, it is possible to let the molten inorganic material flow out of several nozzle openings simultaneously and to introduce the solidified parts together into the thread guide tube without the individual thread-like parts Looping parts together so that the spinning process can be carried out stably and with a higher production capacity.
In the following the invention is explained for example with reference to the drawings. The drawings show:
Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention in side view, and
FIG. 2 shows a longitudinal section through the lower end of the device according to FIG. 1 on an enlarged scale.
To carry out the method according to the invention using the embodiment of the device shown in FIG. 1, the fiber-forming, inorganic material is melted and stored in the melting furnace 1. When using soda / lime glass, the temperature of the melt in the melting furnace 1 is, for example, 1100 to 1400 ob. Glass as the starting material is preferably melted by an electrical melting process which enables the temperature to be set precisely. Especially
The melt is preferably produced either by direct resistance heating alone or in combination with indirect heating, for example radiation heating.
Since, in the case of direct resistance heating, the heating takes place by generating heat in the glass itself, the advantage of this method is that the temperature in the base part of the melting furnace in the vicinity of the nozzle opening 3 can be set quickly and precisely.
The temperature of the melt in the furnace can be determined by means of a thermocouple, an optical pyrometer or the like. The temperature of the melt can be regulated automatically via a temperature controller.
The level of the melt in the melting furnace can be kept constant by automatically supplying new starting material in accordance with the amount of molten material flowing out of the nozzle opening 3.
In the bottom of the melting furnace 1 there is a nozzle plate 2. After opening a nozzle opening 3 in the nozzle plate 2, the melt flows downward in the form of a thread. In the present case, the melt consists of glass, and the clear width of the nozzle opening 3 is 1 to 6 mm. The molten glass flowing out of the nozzle opening 3 solidifies depending on the clear width of the nozzle opening at a distance of 30 to 60 mm below the nozzle opening. A thread guide tube 4 is arranged vertically at a distance of, for example, 200 to 1000 mm below the nozzle opening, has a clear width of 2 to 4 mm and a length of 150 to 1300 mm. The solidified part of the fibrous material is introduced into the thread guide tube 4 through its upper opening 5.
If the thread guide tube is too short, there is an insufficient suction flow effect. If it is too long, however, the suction flow force is reduced by the resistance of the fiber material passing through the tube and air flow. It is therefore important to choose an appropriate length of the thread guide tube.
2 shows that the thread guide tube 4 has a modified shape of the lower opening 6. The lower opening 6 is provided with a mouthpiece 7, which forms part of the thread guide tube 4. The outer circumference of the lower end of the thread guide tube runs in the form of a truncated cone which decreases downwards.
A compressed air chamber 10 is arranged around this lower part of the thread guide tube 4 and the mouthpiece 7, the outer wall 8 of which tapering downwards in the lower part and closed in the upper part with a tightly closing lid. The outer circumference of the lower opening 6 and the mouthpiece 7 of the thread guide tube 4 and the inner wall of the lower part of the compressed air chamber 10 together form an annular slot 11 which runs in the form of a blunt cone which decreases downwards.
The mouthpiece 7 is screwed to the inner wall 8 of the cylindrical part of the compressed air chamber 10. The clear width of the annular slot 11 can be regulated by adjusting this screw connection and is preferably 0.2 to 1.5 mm, in particular 0.2 to 0.5 mm. The inclination of the converging slot 11 is advantageously 15 to 30C to the longitudinal axis of the thread guide and the acceleration tube. Compressed air is supplied to the compressed air chamber 10 from a compressor 12 via a pressure vessel 13 in a state cleaned of dust and oil with an overpressure of 3 to 7 bar. An acceleration tube 14 connected to the compressed air chamber is arranged coaxially below the thread guide tube.
The acceleration tube 14 is formed by the lower part of the wall 8 of the compressed air chamber and a tube 15 which is screwed to this lower part of the chamber wall 8. The length of the acceleration tube 14 is important in order to achieve an appropriate tensile force on the solidified, fibrous part of the inorganic material located in the acceleration and thread guide tube. Depending on the above-mentioned angle of inclination of the converging slot 11, the length of the acceleration tube 14 is expediently kept in a range from 40 to 150 mm, calculated from the lower opening 6 of the thread guide tube. The clear width of the acceleration tube 14 is expediently the same or slightly larger than that of the thread guide tube 4 and is preferably in the range from 3 to 5 mm.
These two tubes are connected to each other and the upper opening 5 of the thread guide tube 4 as well as the lower opening of the acceleration tube 14 are open to the ambient atmosphere. The clear width of the acceleration tube can be of constant diameter, but preferably has different diameters, with a larger diameter at the lower exit end, so that it therefore has a trumpet-like shape.
The compressed air chamber 10 is set up in such a way that compressed air in an amount of 40 to 500 l / min can be ejected through the converging slot 11, the annularly ejected compressed air jet converging towards the center of the acceleration tube 14 to form an air jet. This air jet exerts a downward pulling force on the solidified part of the glass melt located inside the acceleration tube 14, and at the same time a negative pressure is generated in the thread guide tube 4 by ejector action. If the acceleration tube is too short, the tensile force acting on the solidified part of the glass melt is reduced. This appears to be due to the shortness of a high-speed electrical part within the accelerator tube.
If the accelerator tube is too long, however, the internal resistance of this tube increases. This increases the internal pressure, so that it is hardly possible to create a negative pressure in the thread guide tube, which prevents the continuous formation of long glass fibers. The length of the acceleration tube must therefore be kept in an appropriate range.
As already mentioned, the length of the acceleration tube is expediently in a range from 40 to 150 mm, although it should be noted that the suction and traction forces are more effectively available if the length of the acceleration tube is matched exactly to the length of the thread guide tube. A preferred ratio of the length of the acceleration tube to that of the thread guide tube is in the range of 1: 0.2. It is particularly expedient if the length of the acceleration tube 100 to
150 mm and · to 1A 0 the length of the thread guide tube.
Due to the high-speed air flow formed in the execution of the described method by means of the described device in the thread guide tube 4 and in the acceleration tube 14, a tensile force is exerted on the solidified fibrous part of the glass melt, by which this part is stretched, so that glass fibers are continuously and stably with a diameter of 3 to 25 µm can be spun. Such stable spinning of glass fibers is due to the fact that the air flow is generally faster in the center of the tube and the pressure in the interior of the tube is low relative to the pressure near the inner wall of the tube.
Thus, the glass fiber is held both in the thread guide tube and in the acceleration tube in the center of the tube, and the tensile force resulting from the high-speed air flow can act over the entire length of the glass fiber located in these two tubes without it coming into contact with the inner wall of the tube . The invention thus enables the continuous production of glass filaments, which is hardly possible using conventional methods.
The production capacity achievable according to the invention can be further increased by effectively using the tensile force resulting from the above-described ejector action for the locomotion of the fibers, since the glass melt which has flowed out of the nozzle opening in a thread-like manner stretches to the desired fiber diameter within a very short time and within a short path needs to be solidified. After solidification, the fiber can hardly be stretched and in this state is driven by the ejector action through the thread guide tube and the acceleration tube. It has been found that in order to meet the above requirement, it is particularly effective to lower the temperature of the atmosphere below the nozzle opening without, however, reducing the internal temperature of the lower part of the melting furnace in the vicinity of the nozzle opening.
The spinning capacity was increased to a large extent by the experimental arrangement described below:
The temperature of the atmosphere in part 19 according to FIG. 1, about 300 mm below the nozzle opening, is cooled to a range of 350 to 100 ° C. below the softening point of the melt. This can be done by cooling either with a water cooling jacket or with cooling air .
example 1
On the device shown in Fig. 1, a solidified filament from a glass melt was introduced into the thread guide tube. The length X2 of the acceleration tube was 60 mm, the distance B3 between the nozzle opening and the upper opening of the thread guide tube was 1000 mm, the inside width dl of the thread guide tube was 2 mm, the inside width d2 of the acceleration tube was 3 mm, the angle of inclination a in the form of a downward decreasing blunt conical slot to the longitudinal axis of the thread guide tube was 20 ', the inside width W of this slot was 0.5 mm, the inside width d3 of the nozzle opening was 3 mm, and the compressed air was supplied with an overpressure P of 5 bar.
The temperature T1 of the glass melt was 1300 C and the temperature T2 of the atmosphere in a part 250 mm below the nozzle opening was 300 "C.
For the execution of different spinning tests with different spinning speeds in m / min and a constant melt of 200 g / h spun per thread guide tube and unit of time, the length X of the thread guide tube was varied in the range from 300 to 1000 mm.
The respective length of the thread guide tube, the spinning speed in four spinning tests and the diameter of the glass fiber obtained are summarized in Table 1.
Table 1 kl mm spinning speed, m / min fiber diameter
Spin test 2 2 3 4 average, around 300 3240 3500 2930 2930 3150 23.3
400 3720 4080 4340 3460 3900 20.9
500 4080 4200 3960 3960 4050 20.5
600 4200 4080 4920 4800 4500 19.4
800 6170 5630 5800 5240 5710 17.3 1000 6150 6300 6600 6310 6340 16.4 Example2
Using the in Fig.
1, a continuous filament was spun by introducing the solidified part of a glass melt into the thread guide tube under the following conditions, the length of the thread guide tube B1 and the acceleration tube 2 being varied in the ranges specified and also the temperature T2 of the atmosphere 250 mm below the nozzle opening :
: Temperature of the glass melt, T, 1320 'C temperature of the atmosphere 250 mm below the nozzle opening, T2 300-400 C clear width of the nozzle opening, d3 3 mm overpressure of the compressed air, P 5 bar angle of inclination of the converging slot to the longitudinal axis of the thread guide tube, a 20 clear width of the converging slot, W 0.2 mm clear width of the thread guide tube, d, 2 mm clear width of the acceleration tube, d2 3 mm distance between the nozzle opening and the upper opening of the thread guide tube, X3 300 mm length of the thread guide tube, xl 150-1150 mm length of the acceleration tube, Ä2 100-150 mm
The respective temperature T2 in "C, the respective length of the thread guide or
Accelerating tube in mm, spinning speed in the various tests in m / min, glass melt spun in g / h per thread guide tube and unit of time and the diameter of the filament obtained in each case are summarized in Table 2.
Table 2
T2 1 2 spinning speed, m / min spun glass fiber diameter melt
Spinning test
C mm mm 1 2 3 Average g / h
300 150 100 3330 3330 3180 3280 187 22.0
300 150 150 3270 2950 3620 3280 174 21.2
300 400 125 5460 4850 4870 5060 246 20.3 300 650 125 9160 7840 7900 8300 310 17.8 300 800 125 7980 8460 7020 7820 298 18.0 300 1150 125 6660 6420 7050 6710 265 18.3 400 400 125 4380 4610 4810 4600 206 19.5 400 650 125 6040 6140 6330 6170 210 17.0
Example 3
Example 2 was repeated with the following exceptions that thread guide tube 1 or
5 solidified part (s) was introduced, the inside width d3 of the nozzle opening 2.5 mm, the length x2 of the accelerating tube 125 mm, the temperature T2 of the atmosphere in the part 250 mm below the nozzle opening was 300 ° C The respective spinning speed per filament in m / min, the respective glass melt spun per thread guide tube and unit of time in g / h and the diameter of the filament obtained in 11 m are summarized in Table 3.
Table 3
Number of filaments per X, spinning speed m / min spun glass fiber diameter
Thread guide tube melt
Spinning test mm 1 2 3 average g / h
1 150 4250 3560 4040 3950 47 10.0
1 400 6620 5480 6200 6100 41 7.6
1 650 11000 9940 9120 10020 55 6.8
1 800 8710 9700 8680 9030 52 '7.0
1 1150 5420 4920 4810 5050 41 8.4 5 150 1040 940 870 950 58 10.2 5 400 1580 1420 1380 1460 52 7.8 5 650 2550 2490 2190 2410 66 6.8 5 800 2170 2350 1960 2160 64 7.1 5 1150 1330 1200 1160 1230 51 8.4
While in Examples 1 and 2 the continuous
Spinning the single filament is described, it is possible to spin several filaments simultaneously by increasing the number of nozzle openings in the melting furnace, as described in Example 3.
Furthermore, the method according to the invention is not limited to the exclusive use of glass as an inorganic starting material, but any other inorganic, fiber-forming materials, such as rock, slag, cement / glass mixtures, silicon dioxide and mixtures thereof with aluminum oxide and the like, can be used as the off higher production capacity to spin longer fibers than with conventional processes. This advantage is particularly outstanding when fibers with a diameter in the range from 15 to 25 µm are spun.
Another advantage of the invention is that, in contrast to conventional methods, it is possible to continuously spin long filaments without the use of a winding device. The fibers can thus be processed into mats, felts and nonwovens of any shape without difficulty. gear materials are used.
However, the advantages of the invention are particularly evident when using glass as the starting material, since it is possible according to the method according to the invention using the device according to the invention.
The long fibers obtainable by the process described can be used advantageously for the production of mats for use in batteries, roof insulation, filters, heat and sound insulation and as a reinforcing material for plastics and cement.