-
Vorrichtung zum Aufteilen einer Silikatschmelze in Einzelstrahlen,
z. B. zwecks anschließender Verarbeitung zu Fäden oder Fasern Zur Herstellung von
Fäden oder Fasern aus spinnbaren Silikatschmelzen wird im allgemeinen ein in einem
Behälter enthaltener Vorrat der Schmelze zunächst in einzelne Strahlen oder Ströme
aufgeteilt. Üblicherweise enthalten die Spinnbehälter dazu in ihrer Wandung eine
Reihe von öffnungen oder Bohrungen, aus denen .die Schmelze unter der Einwirkung
der Schwerkraft, von Fliehkräften oder Überdruck in Form einzelner Strahlen ausfließt.
Oft ist es erwünscht, möglichst feine Strahlen oder Vorf'äden zu erhalten, weil
das die Qualität des Endproduktes verbessert.
-
Das läßt sich jedoch nur auf Kosten des Durchsatzes erreichen. Um
diesen auf einer wirtschaftlich vertretbaren Höhe zu halten, muß man starken überdruck
und/oder hohe Anzahl von Bohrungen anwenden.
-
In diesem Falle sind beide Wege ungünstig. Wegen der hohen Temperaturen
und dem chemischenAngriff solcher Schmelzen lassen sich für die Behälter nur Edelmetalle,
wie Platin u. dgl., verwenden, deren Festigkeit bei der Arbeitstemperatur keine
nennenswertenÜberdrücke zuläßt.DerErhöhung derZahl der Bohrungen pro Längen- oder
Flächeneinheit wird eine Grenze gesetzt von der relativ guten Benetzbarkeit solcher
Edelmetalle durch die üblichen Silikatschmelzen. Ein Maß für die Benetzung ist der
sogenannte Kontakt- oder Randwinkel (9, der bei Platten etwa 35° beträgt
und dafür verantwortlich ist, daß beim Verlassen einer Bohrung insbesondere ein
frei fallender Schmelzstrahl dazu neigt, sich auf der Außenfläche des Vorratsbehälters
in gewissem Maße auszubreiten. Daher mußte bisher der Abstand dieser Bohrungen relativ
groß gehalten werden, damit die Einzelstrahlen sich nicht entlang der Düsenwandung
wieder vereinigen. Das führte eben bisher dazu, daß man sich bei feinen Strahlen
mit einem stark verringerten Duschsatz pro Längen- oder Flächeneinheit der Spinnvorrichtung
begnügen mußte.
-
Es sind verschiedene Versuche zur Beseitigung dieser Nachteile gemacht
worden. Da der Randwinkel 0 von den Ober- bzw. Grenzflächenspannungen der sich berührenden
Phasen abhängt, hat man vorgeschlagen, die Oberflächenspannung von Silikatschmelzen
durch Zusatz bestimmter Stoffe, wie Alkalisulfide, zu ändern. Abgesehen von den
höheren Kosten hat das jedoch den Nachteil, daß gleichzeitig die Eigenschaften des
Endproduktes, z. B. die Festigkeit, zum Teil erheblich beeinträchtigt werden. Es
erwies sich auch als schwierig, die in geringer Menge zugefügten Stoffe in der Schmelze
genügend gleichmäßig zu verteilen. Ferner isst es bekannt, daß sich der Randwinkel
einer Schmelze ändert, wenn man in die umgebende Atmosphäre bestimmte Gase, wie
S02, NH3, H2, Wasserdampf u. dgl., einführt. Damit konnte der Randwinkel bestenfalls
nur bis etwa 60° gesteigert werden. Auch beeinflussen solche Gase die Eigenschaften
des Endproduktes nachteilig und stellen zum Teil eine unzumutbare Gefährdung und
Geruchsbelästigung dar.
-
Man wußte auch schon, daß Gold im Vergleich mit Platin einen etwas
höheren Randwinkel mit Silikatschmelzen bildet. Da Gold jedoch bereits bei l063°
C und damit unter der Schmelz- bzw. Verarbeitungstemperatur vieler Silikate .schmilzt,
ist es als Behälterwerkstoff unbrauchbar. Daher wurde bereits vorgeschlagen, dem
Behälterwerkstoff Platin geringe Mengen von Gold und anderen (Edel-) Metallen einzulegieren.
Ein Zusatz von 501o, Gold steigert den Randwinkel zwar bis etwa 6S°, verleiht
der Legierung jedoch auch unerwünschte Eigenschaften, wie etwa schwierige Verarbeitbarkeit,
insbesondere beim Schweißen. Aus solchen Legierungen werden daher vornehmlich Tiegel
für die Verarbeitung hochwertiger optischer Gläser hergestellt, um beim Entleeren
des Tiegels die infolge des Anhaftens entstehenden Glasverluste herabzusetzen.
-
Ein anderer bekannter Spinnbehälter für Glasfäden enthält als Grundwerkstoff
eine Pt-Rh-Legierung.
An seiner Ausflußseite ist eine dünne Schicht
reines Platin und darauf eine Goldfolie vorgesehen. Vor der Inbetriebnahme des Behälters
wird durch eine Wärmebehandlung. erreicht, daß die Au-Folie und die' Pt-Sqlncht
i"',wine@,'@ander diffundieren. Es soll dabei -eine feLosuug beider Metalle entstehen,
die gM Grupzjänela<ll g«@haftet. Die nach diesem Vorschlag zu erhaltende Außenfläche
einer Spinuvorrichtung !:zeigt'] edoch nacht den erfindungsgemäß erhältlichen Randwinkel
und neigt zur Warmsprödigkeit, da die Diffusion vorwiegend entlang der Korngrenzen
erfolgt.
-
Es ist audh bekannt, die Umgebung der Ausflußöffnungen geometrisch
zu verändern, z. B. durch Kerben, zwischen den Öffnungen oder durch Vorspringenlasser4,"der
Mündungen, letzteres insbesondere bei mechanisch abgezogenen Glasstrahlen. Diese
Maßnahmen verlangen indes teure Bearbeitung der Düsen ,und mehr Raum, als wirtschaftlich
vertretbar ist.
-
Gemäß der Erfindung soll nun der Ausstoß feiner Strahlen einer Silikatschmelze
aus den Öffnungen der in zahlreichen-Ausführungsformen an sich bekannten Spinnvorrichtungen
stark gesteigert werden, indem zwecks Erhöhung des. Randwinkels (J die Außenfläche
dar Vorrichtung mindestens im Bereich der Ausflußöffnungen mit einer verhältnismäßig
dünnen Schicht eines Metalls"bzw. einer Legierung versehen ist, das bzw. die bei.
der Arbeitstemperatur a) gegen die Schmelze, gegen die Außenfläche der Vorrichtung
und gegen die umgebende Atmosphäre chemisch beständig ist, b) in wesentlichen Bestandteilen
flüssig ist und ,hohe Oberflächenspannung, vorzugsweise über 80Q dyn/,cm, aufweist
und c) geg@nübder ',Außenfläche der Vorrichtung stärkere Benetzung als die Flüssigkeit
zeigt. Erfindungsgemäß soll die Metallschicht aus reinem Edelmetall, einer Legierung
edler Metalle untereinander oder mit unedleren Metallen oder für niedrigere Arbeitstemperatur
aus Quecksilberlegierungen bestehen.
-
Für die Vegarbeitung von hochschmelzenden Silikaten soll nach der
Exiudung die Metallschicht aus Gold bestechen, dem gegebenenfalls Platin und/oder
andere Platipmetalle, insbesondere Palladium, zulegiert sein können. -Da es besonders
vorteilhaft ist, wenn die Schmelztemperatur der Metallschicht etwas unter der Arbeitstemperatur
liegt, kann man z. B. für eine Verarbeitungstemperatur von 1450° C eine homogene
Legierung .aus 70"/o Gold und 3011/o Palladium verwenden, die bei 1400° C schmilzt.
-
Nach einem ,anderen Vorschlag der Erfindung wird zwischen der Wand.
der Vorrichtung und der Metallschicht eine an' sich bekannte diffusionshemmende
Sperr- oder Trennschicht angeordnet. Bei der Verwendung von Goldoder Goldlegierungen
als Außenschicht eignen; sich für die Sperrschicht Legierungen aus Platin mit 2
bis 8°/o Gold, da sie homogene Mischkristalle bilden, in die bei der Arbeitstemperatur
praktisch kein Gold: eindiffundiert.
-
Weitere Ziele und, Vorteile der erfindungsgemäß verbesserten Spinnvorrichtung
ergeben sich aus, der Beschreibung, in Verbindung mit .den Zeichnungen, in denen
Fig. 1 ein schematischer Schnitt durch einen bisher üblichen Spinnbehälter und Fig.
2 ein ebensolcher Schnitt durch 'einen gemäß der Erfindung ausgebedeteg Behälter
ist. In Fig. 1 weist die Wandung 3 eines Spinnbehälters eine Reihe von Öffnungen
4 auf, durch die eine Flüssigkeit 1 in Form einzelner Strahlen 2 ausläuft. Infolge
der Grenzflächenspannungen bildet sich zwischen Wand 3 und Flüssigkeit 1 der sogenannte
Randwinkel 0 aus; der in Fig. 1 eine Größe hat, wie sie der Benetzung einer üblichen
Glasschmelze an Platin entspricht (etwa 35°). Man erkennt, daß der Abstand der Öffnungen
4 voneinander relativ groß sein muß, .damit die Strahlen 2 nicht entlang der Wand
3 wieder zusammenfließen. Der Randwinkel ändert sich zwar, wenn der Strahl 2 mechanisch
oder durch Fliehkräfte beschleunigt wird; die Änderung ist indes ziemlich gering.
-
Bei der erfindungsgemäßen Abwandlung nach Fig. 2 ist an der Wand 3
eine dünne Schicht 6 eines Metalls angebracht, das die bereits angeführten Eigenschaften
hat und insbesondere bei der Arbeitstemperatur im wesentlichen flüssig sein soll.
Für niedrige Arbeitstemperaturen eignen sich z. B. Quecksilberlegierungen; für hohe
Temperaturen wird Gold oder eine seiner Legierungen mit Platinmetallen bevorzugt.
Die Dicke der Metallschicht 6 läßt sich je nach der Temperaturbeanspruchung in weiten
Grenzen verändern. Bei Gold (Legierungen) genügt bereits eine Dicke von. einigen
hundertstel Millimetern für eine praktisch ausreichende Lebensdauer, da Verluste
durch Verdampfung und Einwirkung von Flüssigkeit 1 sowie der umgebenden Atmosphäre
überraschend niedrig sind. Das Aufbringen der Schicht 6 kann auf bekanntem Wege
erfolgen und ist kein Teil der Erfindung.
-
Zwischen der Wand 3 und der Schicht 6 kann eine diffusionshemmende
Trepnsehicht 5 angeordnet sein, wie Fig. 2 zeigt. Solche Trennschichten sind an
sich bekannt und bestehen gewöhnlich aus hochschmelzenden Metalloxyden oder Metallen,
wie Platin, Mollybdän, Chrom, Nickel u. dgl. Auf die Trennschicht 5 kann gegebenenfalls
auch verzichtet werden, besonders wenn die Schicht 6 sehr dünn ist. Weiterhin kann
die Trennschicht 5 so dick ausgeführt werden, daß sie die auf die Wandung 3 wirkenden
Kräfte wenigstens teilweise aufnehmen bzw. übertragen kann. Falls Gold oder eine
Goldlegierung die Schicht 6 bildet, eignet sich für die Trennschicht 5 insbesondere
eine Legierung aus Platin mit 2 bis 8ro/o Gold.
-
Oft wird es erwünscht sein, die bereits ,gute Haftung der Metallschicht
6 auf ihrer Unterlage noch weiter zu verbessern. Dazu schlägt die Erfindung vor,
die Unterlage (3 oder 5) oberflächlich aufzurauhen oder porös, z. B. als Sinterwerkstoff,
auszubilden. Insbesondere dann, wenn eine relativ dicke Metallschicht 6 verwendet
wird oder wenn der Behälter 3 rasch umläuft, läßt sich ein. Abtropfen oder Abschleudern
der Schicht 6 erfindungsgemäß mit Hilfe eines Netzes 7 verhindern. Das Netz 7 soll
so geringen Abstand zur Wand 3 haben, daß es die Schicht 6 berührt. Das vorzugsweise
feinmaschige Netz 7 besteht im einfachsten Fall aus dünnen Platin- oder Platin-Rhodium-Drähten.
Wegen der Gefahr, daß sich diese mit dem Metall 6 legieren, kann auch ein mit dem
Metall überzogenes Gewebe aus Quarz- oder ähnlich hochschmelzenden Silikatfasern
als Netz 7 verwendet werden. Ferner kann man das. Netz 7 im Bereich der Öffnungen
4 so aussparen, daß es von den Strahlen 2 nicht berührt wird. Messungen haben jedoch
gezeigt, daß diese Berührung durchaus erwünscht sein kann, da die Metallschicht
6 in Verbindung mit dem Netz 7
den Randwinkel einer Silikatschmelze
bis auf 80 bis 90° und mehr erhöht.
-
Die Metallschicht 6 kann .auf die übliche Art zusätzlich beheizt werden.
Im Bedarfsfall läßt sich die Metallschicht auch während des Betriebs der Spinnvorrichtung
ergänzen oder erneuern, indem ihr ständig oder zeitweilig geringe Mengen des Metalls
zugeführt worden. Im einfachsten Fall kann das durch Berühren mit einem Draht oder
einer Folie des Metalls geschehen, die an der heißen Spinnvorrichtung abschmelzen
und von den Grenzflächen- oder Kapillarkräften auf ihr ausgebreitet werden. Es können
der Schicht 6 auch gasförmige Verbindungen des Metalls zugeführt werden, die so
gewählt sind, daß sie an der heißen Vorrichtung unter Abscheidung des Metalls zerfallen,
wie das z. B. von Carbonylverbindungen an sich bekannt ist.
-
Wie ein Vergleich von Fig. 1 und 2 zeigt, lassen sich bei der erfindungsgemäß
ausgebildeten Vorrichtung erheblich mehr Ausflußöffnungen unterbringen, ohne daß
die Strahlen 2 erneut zusammenfließen. Man kann also den Durchsatz einer solchen
Vorrichtung gegenüber den bisher üblichen erhöhen oder aber -bei gleichem Durchsatz
- wesentlich mehr feinere Strahlen erzeugen.