DE3879940T2

DE3879940T2 - Trennung von filamenten in flüssigkeiten.

Info

Publication number: DE3879940T2
Application number: DE88903872T
Authority: DE
Inventors: F Bush
Original assignee: Prosyma Research Ltd
Current assignee: Prosyma Research Ltd
Priority date: 1987-04-21
Filing date: 1988-04-21
Publication date: 1993-10-28
Anticipated expiration: 2008-04-22
Also published as: AU1700188A; DK512189D0; BR8807476A; KR890701322A; DK512189A; EP0355116B1; FI895006A0; ZA882826B; NO885681D0; GB8709445D0; DE3879940D1; ATE87536T1; US5035848A; NO885681L; HUT51960A; CA1315941C; AU616888B2; JPH02503698A; EP0355116A1; WO1988008365A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von flüssigkeiten, die Anhäufungen diskreter Filamente enthalten, mit dem Zweck, die Trennung der Filamente voneinander zu gewährleisten. Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, die Trennung solcher Filamente in flüssigen (z.B. geschmolzenen) Polymer- bzw. Harzströmungen vor einer weiteren Verarbeitung solcher Strömungen, um eine zusammenhängende bzw. eine semi-zusammenhängende Struktur der Filamente innerhalb des Polymers bzw. des Harzes zu erzeugen, welches nachfolgend in feste Gegenstände geformt wird.
Es ist seit langem anerkannt, daß der Zusatz von Glas oder von anderen starken Fasern zu einem thermoplastischen oder wärmegehärteten Polymer in geeigneter Weise gewöhnlich vergrößerte Steifigkeit oder Festigkeit oder beides des in seine Endform verarbeiteten Materials liefert. Im Fall von Thermoplasten waren die Glasfasern bis vor kurzem relativ kurz, häufig im Bereich von 0,3 bis 1 mm, und Zusammensetzungen sind in gleicher Weise verarbeitet worden, zum Beispiel durch Extrudierpressen oder durch Spritzguß, wie es bei Thermoplasten für sich allein der Fall ist. Das Ergebnis einer solchen Verarbeitung ist, daß die Fasern im großen und ganzen in dem sich ergebenden festen Gegenstand auf eine Weise angeordnet sind, die die zufälligen Wirkungen der Strömung des Thermoplasts während des Formvorgangs widerspiegelt. Daraus folgt, daß die Fasern im allgemeinen nicht so angeordnet sein werden, daß ihr nützlicher Effekt maximiert wird.
Im Fall wärmegehärteter Zusammensetzungen können verstärkende Fasern kurz sein, in einer Größenordnung von 0.3 bis 1 mm wie beim Reaktionsspritzguß, mit dem gleichen Nachteil wie für thermoplastische Materialien beschrieben, oder es kann sich um lange diskrete Faserrovings (typischerweise 25 mm oder länger) handeln, oder sie können über einen beträchtlichen Abschnitt der Struktur ununterbrochen sein, wie beim Präzisionswickelverfahren. Wenn lange diskrete Fasern verwendet werden, werden sie gewöhnlich entweder als eine lose gewebte Matte ausgebildet, bevor sie mit dem Harz in Kontakt kommen, oder sie werden auf zufällige und überlappende Weise auf eine Harzschicht verstreut, und darauf wird weiteres Harz aufgebracht.
Wenn es sich um wärmegehärtete Materialien handelt, wird eine günstige Ordnung der Fasern stets zu einem bestimmten Grad unabhängig von den Vorgängen des Harzflusses und des Formens in die endgültige Form des Gegenstands erhalten.
Diese Ordnung in eine mehr oder weniger geordnete Struktur stellt einen wichtigen Grund dafür dar, warum mit Faserharz verstärkte wärmeausgehärtete Zusammensetzungen eine weit größere Festigkeit und Steifigkeit zeigen als Zusammensetzungen, die auf kurzen Fasern basieren und die bei den im allgemeinen verwendeten Faserbeladungen nicht in solche Strukturen geformt werden können. Wie leicht ersichtlich ist, bringt jedoch der Vorteil der erwähnten Methode mit langen Fasern gegenüber ihrer Konkurrentin mit kurzen Fasern einen Verarbeitungsnachteil mit sich, insofern im allgemeinen ein beträchtliches semi-manuelles bzw. mechanisches Eingreifen erforderlich ist, um die gewünschte Ordnung bzw. Anordnung der Fasern zu erreichen.
In letzter Zeit ist deutlich geworden, daß es möglich ist, dreidimensionale Netzwerkstrukturen innerhalb einer Flüssigkeit zu schaffen, indem die Flüssigkeitsströmung relativ zu ihrer vorherrschenden Richtung auf eine kontrollierte, sequentielle Weise gestört wird, vorausgesetzt das Produkt aus Volumenkonzentration und Längenverhältnis (l/d) der in der Strömung vorhandenen Faserelemente überschreitet einen Mindestwert. In der Praxis wird das Kriterium von Faserelementen in Gestalt von Monofilamenten mit einer Länge von 5 bis 15mm und Volumenkonzentrationen von ein paar Prozent und darüber erfüllt. Ein solches Verfahren wird im am 7. Dezember 1987 angemeldeten Dokument WO 88/04228 offenbart. Insbesondere ist es möglich, solche Netzwerkstrukturen bei thermoplastischen und wärmegehärteten Harzen zu erhalten und während des Formens der Thermoplaste bzw. der wärmegehärteten Materialien in ihre endgültige Form im festen Zustand ihre Strukturen im wesentlichen zu bewahren.
Die Fasern können durch Polymerkörnchen mit einer hohen Beladung (z.B. 20-50 Gew.-% der Körnchen) mit Glas-, Kohlenstoff- oder Metallfasern bereitgestellt werden, die zur Verwendung beim Extrudieren bzw. Gießen heute zur Verfügung stehen. Die Fasern in den Körnchen haben typischerweise die Form eines Kabels bzw. eines Rovings aus diskreten Filamenten, die eine typische Länge von 5 bis 15 mm und einen Durchmesser von 2-20 Mikron aufweisen. Jedes Körnchen kann mehrere (z.B. 2 bis 4) Längen des Kabels bzw. des Rovings enthalten, die jeweils 1000 bis 5000 Filamente enthalten können. Solchen Körnchen (den 'Faserkörnchen') können andere Körnchen (die 'Polymerkörnchen') aus dem gleichen Polymer beigemischt werden (die aber keine Fasern enthalten), und zwar in einem solchen Anteil, daß in der Gesamtmischung eine gewünschte Volumenkonzentration der Filamente (z.B. 1- 7%) erhalten wird. Die Körnchenmischung wird dann einer Extrudier- bzw. Spritzgießmaschine zugeführt, wo sie geschmolzen wird und dazu veranlaßt wird, durch eine Formdüse (im Extrudierfall) bzw. in eine Form (im Spritzgießfall) zu fließen.
Zum Schaffen einer zusammenhängenden bzw. semi-zusammenhängenden Netzwerkstruktur mittels der im vorletzten Absatz beschriebenen Technik ist es erforderlich, daß die einzelnen Filamente bzw. Filamentbündel in Beinahe-Kontakt (definiert als eine Annäherung bis auf weniger als einen Filamentdurchmesser) mit einer bestimmten Mindestzahl von anderen Filamenten bzw. Bündeln kommen, die in signifikanten Winkeln zueinander liegen (typischerweise zwischen 300 und 900). Dies hängt wiederum vom Längenverhältnis (l/d) des Filaments bzw. der Filamentbündel ab. Da das maximale Längenverhältnis eines Bündels aus "Bündeln" aus nur einem Filament erzeugt wird, ist es notwendig, daß die einzelnen Filamente ausreichend voneinander getrennt werden, um die Filamente optimal in einer verstärkenden Struktur zu verwenden. Wenn die trockene Körnchenmischung dem in der Polymer-Verarbeitungsvorrichtung erhaltenen Schmelz und Fließverfahren ausgesetzt wird, zeigt sich oft, daß die Körnchen, die Fasern enthalten, zwar offensichtlich ausreichend unter den Polymerkörnchen verstreut sind, viele einzelne Filamente jedoch immer noch in ihren ursprünglichen Bündeln bzw. Verklumpungen miteinander verbunden sind, wenn sie durch die Extrudierdüse bzw. in die Form gelangen. Solche Verklumpungen können 50 oder mehr Filamente enthalten, verhalten sich aber effektiv nur als ein einziges Filament beim Schaffen der gewünschten Netzwerkstrukturen.
Bei einigen Faser/Polymer-Matrixkombinationen ist es möglich, die Fasern chemisch so zu behandeln, daß sich die einzelnen Filamente voneinander weg trennen, wenn die Körnchen geschmolzen werden. Zum Erhalten dieses Effekts ist jedoch für jede Faser-Matrixkombination eine spezifische Behandlung erforderlich, und mit vorhandener Technologie ist es schwierig, wenn nicht praktisch unmöglich, einige wünschenswerte Kombinationen zu erzielen.
Übliche Mischverfahren für Polymerschmelzen können ebenfalls eine Beeinträchtigung der Verklumpungen und eine Trennung der Filamente erreichen, indem in einer Abfolge schnell wechselnder Richtungen verschiedene Belastungen ausgeübt werden. Dieses Vorgehen neigt jedoch dazu, zu einer hohen Bruchrate der Filamente und somit einer Verringerung. des Längenverhältnisses (l/d) zu führen, die für ihren wirksamen Einsatz beim Schaffen einer Netzwerkstruktur zur Verfügung stehen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, falls sich ein Polymer zwischen relativ zueinander bewegten Oberflächen fortbewegen muß, die Filamente bis direkt vor einer Formphase in Verklumpungen zu halten, um sie vor unkontrolliertem Zerbrechen zu schützen.
Das Dokument GB-A-2 055 680 offenbart die Zubereitung eines fasergefüllten extrudierten thermoplastischen Bogenmaterials, bei dem die Oberflächenschichten faser-"arm" sind. Die Fasern enthaltende Polymerschmelze wird durch eine Stauscheibe mit einer Anzahl aufeinander zulaufender Durchgänge geführt. Diese Durchgänge sorgen für eine bestimmte Orientierung der Fasern und leiten die Fasern zum Zentrum der Strömung hin. Es wird festgestellt, daß die Größe der Durchgänge nicht entscheidend sei, und es gibt keinen Hinweis darauf, daß die Durchgänge in der Stauscheibe dazu verwendet werden, Filamente von Filamentverklumpungen zu trennen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen diskreter Filamente in einer flüssigen Strömung vorzusehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Trennen von Filamenten von daraus bestehenden Verklumpungen in einer flüssigen Strömung vorgesehen, wobei die Filamente innerhalb der einzelnen Verklumpungen im wesentlichen parallel zueinander vorhanden sind, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Unter-Druck-Setzen der die Verklumpungen enthaltenden Flüssigkeit, Unterteilen der Strömung über ihren seitlichen Verlauf zur Leitung durch eine Anordnung filamenttrennender Kanäle mit einem Querschnitt, der ausreichend groß ist, um den Querschnitt einer Verklumpung aufzunehmen, der aber die Verklumpung dazu zwingt, sich in ihrer Axialrichtung den Kanal entlang zu bewegen, so daß eine einachsige Scherkraft auf die im Kanal am Strömungsrand befindlichen Filamente derart wirkt, daß diese Filamente in Axialrichtung voneinander und von Filamenten in der Mitte der Verklumpung getrennt werden, ohne daß es zu einem wesentlichen Bruch der abgetrennten Filamente kommt.
Die von der vorgenannten Anordnung kommende Strömung kann durch mindestens eine nachfolgende Anordnung filamenttrennender Kanäle geleitet werden, die derart angeordnet ist, daß Teile der Verklumpungsreste von der ersten Anordnung in die nachfolgenden Kanäle an deren Rändern eintreten, so daß durch Scheren entlang der Filamentachse eine weitere Auftrennung bewirkt wird.
Die Erfindung ist besonders auf die Verarbeitung von Strömungen von Harz bzw. geschmolzenem Kunststoff (insbesondere Thermoplasten) bei Extrudier- bzw. Gießvorgängen anwendbar.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung bewegen sich die Filamentverklumpungen in der flüssigen Strömung daher entlang filamenttrennenden Kanälen mit solchen Querschnittsabmessungen, daß sich ein Teil der Verklumpung in der Strömung am Rand des Kanals befindet, während sich ein Teil an zentralerer Stelle im Kanal befindet. Am Rand der Verklumpungen befindliche Filamente sind in der Richtung ihrer Achsen einer kontrollierten Scherkraft ausgesetzt, die sich aus der automatisch größeren Strömung im Zentrum des Kanals verglichen mit den Rändern ergibt. Die äußeren Filamente der Verklumpung werden daher abgetrennt, ohne zu brechen. Danach verlassen die Reste der Verklumpungen den Kanal und können in aufeinanderfolgende (gewöhnlich kleinere) Kanäle eintreten, in denen sich ein Teil der Verklumpung in der Randströmung befindet, so daß eine weitere axiale Trennung von Filamenten stattfindet.
Die Filamenttrennung findet stromabwärts von irgendwelchen bewegten Verarbeitungskomponenten für Polymere statt, so daß die Schutzwirkung der Verklumpungen aufrechterhalten wird. Eine Filamenttrennung kann jedoch unmittelbar stromaufwärts von irgendeiner Vorrichtung zum Bilden einer Netzwerkstruktur aus den Filamenten und auf jeden Fall stromaufwärts von irgendeiner Formdüse bzw. Form ausgeführt werden.
Es ist wichtig, daß die seitliche Beabstandung der einzelnen Kanäle klein ist verglichen mit den Gesamtabmessungen des Durchgangs, entlang dem die Flüssigkeit fließt. Durch dieses Größenverhältnis wird gewährleistet, daß kein merklicher Teil der Flüssigkeit an irgendeinem Querschnitt des Durchganges eine Fließgeschichte aufweist, die sich von der irgendeines anderen auf bedeutsame Weise unterscheidet.
Die Flüssigkeit kann dadurch hergestellt worden sein, daß Filamente enthaltende Polymerkörnchen (des oben angesprochenen Typs) geschmolzen wurden. Um die optimale Trennkraft des Aufbaus sicherzustellen, sollten die kleinsten Kanal-Querschnittsflächen in der ersten Anordnung die Querschnittsfläche der im Körnchen vorhandenen ursprünglichen Filamentverklumpungen nicht wesentlich übersteigen. In der Praxis kann es sich zeigen, daß eine solche kleinste Querschnittsfläche für ein optimales Gleichgewicht zwischen dem in einer Anordnung aufgewandten Druck und der darin erreichten Trennung sorgt, wenn sie 1,5 bis 3 mal so groß ist wie die Querschnittsfläche der ursprünglich im Körnchen vorhandenen Verklumpungen.
Die kleinste Querschnittsfläche der Kanäle in irgendeiner zweiten bzw. nachfolgenden Anordung kann kleiner sein als diejenigen aus der unmittelbar vorhergehenden Anordung, um die sich verringernde Größe der Reste der Faserverklumpungen zu berücksichtigen, jedoch kann die Anzahl solcher Kanäle zumindest proportional zur Verringerung des Querschnitts vergrößert werden.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein zu gewährleisten, daß, wenn die Flüssigkeit einen Filamenttrennungskanal verläßt, sie sich vordem Eintritt in den nächsten Kanal seitlich ausdehnen kann. Eine solche Ausdehung sorgt für eine gleichmäßigere Verteilung der Filamente in der Flüssigkeit.
Die einzelnen Kanalanordnungen können aus Blöcken vorgesehen sein, die axial entlang des Strömungsdurchgangs beabstandet sind.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft anhand der beiligenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein übliches linksorientiertes Koordinatensystem, auf das in der Beschreibung und in den nachfolgenden Figuren Bezug genommen wird;
Fig. 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Extrudiervorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 eine Darstellung eines Filamente enthaltendes Polymerkörnchens, welches von der Vorrichtung aus Fig. 2 verarbeitet werden soll;
Fig. 4 eine Draufsicht in die Richtung des Pfeils A auf eine der fasertrennenden Anordnungen, die in der Vorrichtung aus Fig. 2 gezeigt werden;
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4;
Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 5;
Fig. 7 eine Ansicht entlang der Linie VII-VII in Fig. 5;
Fig. 8a-e eine Darstellung der Art und Weise, auf die Filamente voneinander getrennt werden;
Fig. 9 eine Darstellung gestaffelter Filamenttrennkanäle in aufeinanderfolgenden Anordnungen;
Fig. 10 eine Darstellung modifizierter Filamenttrennkanäle.
Fig. 1 definiert ein übliches linksorientiertes Koordinatensystem für einen Strömungsdurchgang, in dem sich die Filamenttrennvorrichtung befindet. Oz entspricht der Haupt-Strömungsrichtung der Flüssigkeit. Wenn der Durchgang im wesentlichen ringförmig ist, liegt Ox in der Richtung des Ringumfangs und Oy in der Richtung der Tiefe. Wenn die Passage ein Schlitz ist, liegt Ox in der Richtung der Schlitzbreite und Oy in der der Tiefe.
Fig. 2 zeigt eine Extrudiervorrichtung 1 für ein mit einer üblichen Zuführschraube 2 versehenes Rohr. Um das stromaufwärts gelegene Ende des Kerns 3 sind eine Mehrzahl an ringförmigen Blöcken 4 (dargestellt sind drei) vorgesehen, die jeweils eine Mehrzahl an Öffnungen 5 in der Oxy-Ebene aufweisen. Zwar ist dies nicht in der Zeichnung dargestellt, jedoch kann eine Anordnung wie die in Fig. 12 aus dem Dokument WO 88/44228 gezeigte stromabwärts der Blöcke 4 vorgesehen sein, um diskrete Filamente in eine zusammenhängende bzw. semi-zusammenhängende Netzwerkstruktur zu bringen, bevor das Polymer zur endgültigen Formgebung in eine Extrudierdüse (ebenfalls nicht gezeigt) geleitet wird.
Das Zuführmaterial für die Extrudiervorrichtung wird solche Polymerkörnchen 6 umfassen, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Körnchen sind im wesentlichen zylindrische Tabletten, die Faserlängsstücke 7 (z.B. eines Garns bzw. eines Kabels) innerhalb einer Polymermatrix (z.B. einer Thermoplastenmatrix) umfassen. Das Körnchen ist mit einer Länge 1g gezeigt, welche typischerweise zwischen 5 und 15 mm betragen wird. Jedes Faserlängsstück 7 umfaßt diskrete Filamente 8 mit einer Länge von ungefähr 1g, so daß die Filamente durch das Körnchen hindurch ohne Unterbrechung sind, und typischerweise werden sich 2 bis 4 Garn- bzw. Kabelstücke 7 in dem Körnchen befinden, die jeweils 1000 bis 5000 Filamente 8 umfassen. Die Dicke des Körnchens ist mit dg bezeichnet, und die maximale Quersschnittsabmessung des Garns bzw. des Kabels ist mit dc1 bezeichnet.
Der Extrudiervorrichtung 1 kann eine Mischung aus den vorgenannten Körnchen zusammen mit Körnchen ohne Fasern zugeführt werden, und die Körnchenmischung wird erhitzt, geschmolzen und von der Schraube 2 auf eine wohlbekannte Art und Weise vorwärtsbewegt.
Die sich dem stromaufwärts gelegenen ringförmigen Block bzw. der Anordnung 4 nähernde Polymerschmelze wird, wenn sie nicht speziell chemisch behandelt worden ist wie oben erwähnt, Filamentverklumpungen enthalten, die nicht voneinander getrennt wurden. Die Anordnungen 4 sorgen für die Trennung der Filamente von den Verklumpungen. Insbesondere ist es der Durchgang der Faserverklumpungen durch die Öffnungen 5 (welche Strömungskanäle 9 durch die Blöcke bereitstellen - siehe Fig. 5), wodurch eine Trennung der Filamente bewirkt wird (wie unten ausführlicher beschrieben).
Mit Bezug auf Fig. 5 weist jeder Kanal 9 im Block 4 einen sich verjüngenden Einführ- (bzw. Eingangs-)abschnitt mit einer Länge led einen Trennabschnitt mit einer Länge ls, der möglicherweise einen im wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist, und einen Auslaßabschnitt mit einer Länge lo auf.
Die Mittelpunkte der Eingänge zu den Kanälen sind bevorzugt um einem Abstand ds (Fig. 6) voneinander entfernt, der nicht weniger groß als die Länge 1g der Faserkörnchen, aber nicht so groß ist, daß er irgendeinen merklichen Teil der Flüssigkeit bei irgendeinem Querschnitt des Durchgangs dazu veranlaßt, eine Fließgeschichte aufzuweisen, die sich von der irgendeines anderen bedeutend unterscheidet. Der Querschnitt des Eingangs (Fig. 6) zu jedem Kanal 9 wird wünschenswerterweise deutlich definierte, stromaufwärts gerichtete Kanten 10 aufweisen, typischerweise eine rechteckige (Fig. 6) oder eine hexagonale Anordnung. Die Länge le des Eingangs spiegelt die elastischen Eigenschaften einer Polymerschmelze wider, insofern jegliche Neigung dazu, im Eingangsbereich einen Wirbel hervorzurufen, durch einen Verjüngungswinkel (α), im allgemeinen im Bereich von 10-15º, minimiert wird. Größere Winkel können verwendet werden, falls das elastische Verhalten weniger ausgeprägt ist. Durch diese drei Vorkehrungen wird sichergestellt sein, daß kein Material (insbesondere Faserverklumpungen) am Eingang zu den Anordnungen 4 aufgehalten wird. Ein solches Aufhalten würde zu einer Materialverschlechterung und schließlich zu einem Verstopfen der Kanäle führen.
Der Trennabschnitt ls kann einen gleichförmigen Querschnitt haben, der bevorzugt eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Querschnittsfläche einer Faser 7 im Körnchen 6, aber nicht eine größere als das 1,5- bis 3-fache der Querschnittsfläche einer Faser 7. Abweichungen von diesem Bereich sind möglich, resultieren aber in einer Verringerung der Trennkraft bzw. einem großen Rückstau. Die Länge ls ist bevorzugt mindestens das Zweifache der Körnchenlänge lg und beträgt typischerweise fünf bis zwanzig Körnchenlängen.
Der Auslaßabschnitt la ist dafür ausgelegt, im Fall der letzten Anordnung zwei Funktionen zu erfüllen: (a) Polymerströmungen wieder zu vereinigen bzw. zu heilen, und (b) zu gewährleisten, daß ein ausreichender Filamentanteil (durch die Kanäle 9 getrennt, wie unten ausführlicher beschrieben) mit Winkeln θ, φ orientiert sind, die u.U. von einer nachfolgenden Vorrichtung dafür benötigt werden, eine zusammenhängende Faserstruktur zu schaffen. Im allgemeinen sind diese Funktionen am Auslaß der letzten Anordnung 4 wichtiger als für irgendeinen anderen. Für Zwischenanordnungen besteht die Funktion des Auslaßabschnitts darin, einen störungsfreien Übergang in die nächste Anordnung zu gewährleisten.
Wenn eine Scherbeanspruchung, welche Polymermoleküle streckt, im wesentlichen beseitigt wird, dehnen sich Polymerströmungen beim Verlassen eines Kanals seitlich aus, und die Polymermoleküle entspannen sich und können sich dann untereinander verteilen. Der Auslaß lo ist daher so geformt (mit Winkeln ß&sub1; und ß&sub2; wie gezeigt), daß eine schnelle Verringerung der Scherbeanspruchung ermöglicht wird, ohne Totzonen zwischen den Ausgangskanalströmungen zu schaffen. Durch die gleiche Formgebung werden die Filamente Winkel θ, φ annehmen, deren Größen von den Winkeln ß&sub1; und ß&sub2; beeinflußt werden, die im Bereich von 45 bis 75º liegen können. Diese Fasern werden sich über den Vereinigungsbereich der entstehenden Strömungen drehen und ergänzen so den Heilungseffekt der seitlichen Ausdehnung (wie in WO 88/04228 beschrieben).
Die Mittellinien der Öffnungen in benachbarten Anordnungen 4 sind voneinander versetzt. Typischerweise können die Kanäle 9 einen Durchmesser von 3 mm aufweisen und der Wert von ds (der Entfernung zwischen den Mittellinien der Kanäle 9) beträgt 5 mm, wird aber gemäß den beschriebenen Prinzipien von der Größe der verwendeten Körnchen und Kabel abhängen.
Es wird nun unter Bezug auf die Fig. 8 a-e die Art und Weise beschrieben, auf die die Vorrichtung dazu dient, einzelne Filamente 8 zu trennen. In jeder dieser Figuren steht das Bezugszeichen 4u für die erste stromaufwärts gelegene Anordnung 4, und das Zeichen 4d steht für die benachbarte Anordnung stromabwärts. Die Kanäle 9 in der Anordnung 4d haben, gemäß der Formel (I) unten, einen kleineren Querschnitt als die in 4u, was die verringerte Größe der verbleibenden Verklumpung widerspiegelt.
Um den Extrudiervorgang auszuführen, können den Körnchen Körnchen aus dem gleichen Polymer (die aber keine Fasern enthalten) beigemischt werden.
Die Körnchenmischung wird geschmolzen und mittels der Schraube 2 auf übliche Weise vorwärtsbewegt. Im allgemeinen wird die Menge an Körnchen, die Fasern enthalten, relativ gering sein verglichen mit denen, die nur das Polymer enthalten. Die Polymerschmelze zwischen dem Ende der Schraube 2 und der stromaufwärts gelegenen Anordnung 4u wird Verklumpungen 11 aus Filamenten (die im wesentlichen der Länge des Garns bzw. des Kabels lg in den Körnchen entsprechen) in der Polymerschmelze umfassen. Zwischen den Anhäufungen bzw. Verklumpungen wird die Polymerschmelze relativ faserarm sein.
In Anbetracht der Abmessungen der 'Mundöffnung' des Kanals kann eine Faserverklumpung (mit einer Länge lg) leicht in einen Kanal 9 in der stromaufwärts gelegenen Scheibe 4 eintreten. Innerhalb des Abschnitts 1e richtet sich die Verklumpung entlang der Oz-Richtung aus, wobei sich die äußeren Bereiche der Anhäufung in der Strömung an den äußeren Rändern des Kanals befinden, und die inneren Bereiche der Anhäufung sich im Zentrum der Strömung befinden (Fig. 8a).
Da entlang dem Zentrum des Kanals die Strömung automatisch größer ist als an den äußern Rändern, sind die Filamente an den äußeren Rändern der Verklumpung einer Scherbewegung ausgesetzt, so daß zwischen den Enden des Kanals 9 ein relativ zur Verklumpung axiales 'Herausziehen' der Filamente einsetzt (siehe Fig. 8b). Während die Verklumpung fortfährt, sich entlang dem Kanal zu bewegen, setzt sich die Trennung fort, so daß sich am Rand des Kanals diskrete Filamente befinden, während im Zentrum des Kanals eine nun kleinere Verklumpung verbleibt (Fig. 8c).
Die nächste Phase der Trennung besteht darin, daß das Polymer (mit Filamenten und Verklumpungen) in die Kanäle der Anordnung 4d eintritt. Wie beschrieben sind diese Kanäle relativ zu denen in der Anordnung 4u seitlich versetzt. Teile der Verklumpungen, die aus den Kanälen in der Anordnung 4u gelangt sind, bewegen sich daher nun seitwärts und gelangen in die Randbereiche der Kanäle in der Anordnung 4d. Die Trennung dieser Anhäufungen in der Anordnung 4d geht auf genau die gleiche Art und Weise vonstatten wie in der Scheibe 4u und wird daher nicht näher beschrieben. Beim Verlassen der letzten Anordnung 4d erfährt die Polymerströmung eine Ausdehnung in die Breite, wodurch die Filamente 8 seitwärts bewegt werden (siehe die Pfeile B und Fig. 7), um eine gründlichere Verteilung der Filamente innerhalb des Polymers zu bewirken.
Es ist klar, daß die Gesamtzahl von Anordnungen 4, die für eine gegebene Anwendung vorgesehen ist, ausreichen wird, um eine vollständige Trennung der Filamente zu gewährleisten.
Die Kanäle 9 arbeiten also, indem sie die Filamentverklumpungen einer regulierten Folge von Scherbewegungen und Seitwärtsbewegungen aussetzen, so daß aufeinanderfolgend Filamente in der Strömuncisrichtung voneinander weggezogen werden. Die Seitwärtsbewegung von der letzten Anordnung aus ist dafür bestimmt, (a) zu einer Gleichförmigkeit der Faserverteilung im Durchgang zu führen, (b) als Vorbereitung für ein nachfolgendes Ordnen in Netzwerkstrukturen eindeutige Drehungen (θ, φ) der Filamente relativ zur Hauptströmungsrichtung zu erhalten und (c) die Nahtlinien zu heilen, die aus der Teilung der Strömung durch die Kanalanordnungen resultieren.
Bei gegebener axialer Trennung S, die für zwei Filamente gegebener anfänglicher seitlicher Trennung, anfänglich im Randbereich ein und derselben Verklumpung, benötigt wird, wird die benötigte Kanallänge ls angenähert durch die Formel (I) geliefert:
worin Af die freie Fläche des Kanals (d.h. die nicht von der Verklumpung eingenommene Fläche) ist und durch den Ausdruck (11) gegeben ist:
Af = Ac - Acl (II)
worin Ac die Querschnittsfläche des Kanals und ACL die Querschnittsfläche der Verklumpung ist, und
dcL die größte Querschnittsabmessung der Verklumpung ist (Fig. 3).
Der Proportionalitätsfaktor k ist angenähert umgekehrt proportional zur anfänglichen seitlichen Trennung der beiden Filamente.
Es ist wichtig zu erkennen, daß eine ausreichende Trennung der Filamente auf optimale Weise nicht dadurch erreicht werden kann, daß die Länge ls vergrößert wird (was lediglich zu einem hohen Rückstau ohne zusätzliche Trennung führen würde), sondern dadurch, daß die Filamente und die Verklumpungen in die aufeinanderfolgenden 'gestaffelten' Kanäle 9 eintreten. Eine solche Folge hat die Wirkung, diejenigen Verklumpungen, die sich in der stromaufwärts gelegenen Anordnung 4u in der Nähe der Mittellinie des Kanals 9 befinden, zum Rand eines Kanals 9 in der nächsten stromabwärts gelegenen Anordnung 4d zu bewegen (wo die Trennwirkung groß ist). Auf diese Weise wird der Aufwand an Druckenergie beim Treiben der Verklumpungen durch die Kanäle minimiert.
Wie erwähnt haben die Kanäle 9 in der Anordnung 4d verglichen mit denen in 4u einen verringerten Querschnitt. Im Idealfall erfüllt der Querschnitt der Kanäle in 4d Gleichung (I), wobei dcl und Acl von den Abmessungen der Verklumpung von der Anordnung 4u abhängen. Um den vergrößerten Druckabfall zu vermeiden, der anderenfalls auftreten würde, wird die Anzahl von Kanälen in der Anordnung 4d (verglichen mit der Anzahl in der Anordnung 4u) wünschenswerterweise zumindest proportional zur Verringerung der Querschnittsfläche erhöht.
Fig. 9 stellt eine weitere Anordnung bezüglich der relativen Größen und Anordnungen von Filamenttrennkanälen 13u und den Filamenttrennkanälen 13d in einer stromabwärts gelegenen Anordnung dar. Es ist ersichtlich, daß jedem Kanal 13u vier der stromabwärts gelegenen Kanäle 13d zugeordnet sind. Verklumpungen, die einen Kanal 13u verlassen, gelangen in einen der zugeordneten stromabwärts gelegenen Kanäle 13d. Wenn eine Verklumpung in eine der vier stromabwärts gelegenen Kanäle 13d eingetreten ist, entsteht ein vorübergehender Rückstau in diesem Kanal 13d, so daß weitere Verklumpungen aus dem zugeordneten Kanal 13u vorzugsweise in einen der anderen zugeordneten Kanäle 13d gelangen. Auf diese Weise nimmt jeder der Kanäle 13d durchschnittlich nur ein Viertel der Verklumpungen auf, die den zugeordneten Kanal 13u verlassen.
Bei einer weiteren Modifizierung des dargestellten Ausführungsbeispiels können die Anordnungen 4 voneinander entfernt sein, um eine erhöhte seitliche Ausdehnung des Polymers zwischen den Anordnungen zu ermöglichen.
Es wird klar sein, daß die Anordnungen 4 um den Kern 2 in der Form von Blöcken vorgesehen sein können und so dazu dienen können, den Kern im Durchgang zu stützen, so daß die Benötigung üblicher Stützkreuzstücke vermieden wird. Außerdem kann mit diesen Blöcken die Benötigung üblicher Stauscheiben stromaufwärts des Kerns umgangen werden.
Ein weiteres (nicht dargestelltes) Ausführungsbeispiel der Erfindung weist zumindest eine Anordnung filamenttrennender Kanäle auf, die so angeordnet ist, daß an einer bestimmten stelle im Querschnitt des Stromungsdurchgangs in die Kanäle eintretendes Material an einer seitlich getrennten stelle des Querschnitts des Strömungsdurchgangs herauskommen wird, wodurch ein Mischen in Querrichtung erfolgt.
Die Vorrichtung wurde für das Extrudieren mit einem kreisförmigen Rohr dargestellt, jedoch gibt es keine Begrenzung, was die Form der Extrudierprofile angeht, auf die sie anwendbar ist, einschließlich bogenförmige Profile und Profile für offene Leitungen und solche mit unregelmäßigem Querschnitt. In jedem fall gelten die gleichen Überlegungen bezüglich der Abmessung und der Positionierung der Strömungskanäle in der Ox- bzw. in der Oy-Richtung wie oben beschrieben.
Als Alternative dazu, den Körnchen 6 Körnchen beizumischen, die vor dem Schmelzen und der Beförderung durch die Schraube 2 keine Filamente enthalten, ist es möglich, die Körnchen 6 im Raum zwischen dem stromabwärts gelegenen Ende der Schraube 2 und dem stromaufwärts gelegenen Ende des Kerns 3 zuzufügen und zu schmelzen. Die Anordnungen 4 werden nach wie vor eine Filamenttrennung bewirken, und jegliche Möglichkeit einer Beschädigung der Filamente durch Schraube 2 wird vermieden.
Bei einer weiteren Alternative kann die Polymermatrix der Körnchen 6 einen etwas höheren Schmelzpunkt aufweisen als das Polymer in den Körnchen ohne Fasern. Die beiden Körnchenarten werden miteinander vermischt und dann auf eine Temperatur erhitzt, die zwischen den Schmelzpunkten der beiden Polymere liegt, so daß die Filamente in den Körnchen 6 von einer Polymer-"Haut" ummantelt bleiben, während sie mittels der Schraube 2 befördert werden, wodurch eine Beschädigung der Filamente minimiert wird.
Die Erfindung wurde zwar mit spezifischem Bezug auf Extrudieren beschrieben, sie kann aber auch auf Spritzguß angewandt werden (besonders mit großen Formteilen), in welchem Fall die filamenttrennenden Anordnungen sich in den Formrinnen befinden.
Schließlich kann die Erfindung so angewandt werden, daß sie zusätzlich zur Trennung der Filamente gleichzeitig die Wirkungen eines stromaufwärts entstehenden nichtgleichförmigen Fluidumsgedächtnisses korrigiert, zum Beispiel von einem Weg um eine Kurve hergeleitet, wie in einer Querkopfdüse oder einer Formrinne. Figur 10 stellt die Verwendung der Vorrichtung mit Kanälen verschiedener Länge dar, um eine stromaufwärts gelegene Strömung zu korrigieren, die eine Zugdehnung am Rand des Durchgangs und eine geringe Zugdehnung am Rand des Durchgangs hervorgebracht hat. Der innere Kanal der Anordnung setzt somit das Zentrum der Strömung einem kompensierenden, höheren Zuggedächtnis aus als an den Rändern.

Claims

1. Verfahren zum Trennen von Filamenten (8) von daraus bestehenden Verklumpungen (7) in einer flüssigen Strömung, wobei die Filamente innerhalb der einzelnen Verklumpungen im wesentlichen parallel zueinander vorhanden sind, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Unter-Druck-Setzen der die Verklumpungen enthaltenden Flüssigkeit, Unterteilen der Strömung über ihren seitlichen Verlauf zur Leitung durch eine Anordnung (4) filamenttrennender Kanäle (9) mit einem Querschnitt, der ausreichend groß ist, um den Querschnitt einer Verklumpung (7) aufzunehmen, der aber die Verklumpung dazu zwingt, sich in ihrer Axialrichtung den Kanal entlang zu bewegen, so daß eine einachsige Scherkraft auf die im Kanal am Strömungsrand befindlichen Filamente derart wirkt, daß diese Filamente in Axialrichtung voneinander und von Filamenten in der Mitte der Verklumpung getrennt werden,. ohne daß es zu einem wesentlichen Bruch der abgetrennten Filamente kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die von der Anordnung (4) kommende Strömung durch mindestens eine nachfolgende Anordnung (4d) filamenttrennender Kanäle (9) geleitet wird, die derart angeordnet ist, daß Teile der Verklumpungsreste in die nachfolgenden Kanäle an deren Rändern eintreten, so daß durch Scheren entlang der Filamentachsen eine weitere Auftrennung bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Fluid sich zwischen dem Ausgang des einen Kanals (9) und dem Eingang des stromabwärts nachfolgenden Kanals (9) seitlich ausdehnt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jeder Kanal (9) einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt aufweist, der mindestens doppelt so lang wie die Länge der Filamente ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der konstante Querschnitt zwei- bis zehnmal so lang wie die Länge der Filamente (8) ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Mittellinien der Kanäle (9) parallel zueinander sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Mittellinien um einen Abstand voneinander entfernt sind, der größer als die Länge der Filamente (8) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kanäle (9) einen sich verjüngenden Einlaßabschnitt (5) aufweisen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Abschnitt (5) sich mit einem Winkel von 10-15 verjüngt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem es sich bei der Flüssigkeit um eine Polymerschmelze handelt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Polymerschmelze durch das Schmelzen von Körnchen (6) (der "Faserkörnchen") hergestellt wurde, welche ein Polymer umfassen, das mehrere Garn- oder Kabelstücke (7) enthält, von denen jedes eine Vielzahl von Filamenten (8) umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Schmelze aus einer Beimischung der "Faserkörnchen" (6) und Körnchen eines keine Filamente enthaltenden Polymers hergestellt wurde.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Polymermatrix der "Faserkörnchen" (6) einen etwas höheren Schmelzpunkt als die der keine Filamente enthaltenden Körnchen hat.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Mindest- querschnittsfläche der filamenttrennenden Kanäle (9) 1,5 bis 3 mal so groß wie die Querschnittsfläche der Verklumpungen (7) ist, von denen die Filamente (8) getrennt werden sollen.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die seitliche Beabstandung der einzelnen Kanäle (9) in einer Anordnung (4) im Vergleich mit den Gesamtabmessungen des Durchgangs, entlang dem die Flüssigkeit strömt, klein ist.

16. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei dem die filamenttrennenden Kanäle (9) der Anordnung (4) oder mindestens eine der Anordnungen zusätzlich so ausgelegt sind, daß an einer bestimmten Stelle im Querschnitt des Strömungsdurchgangs in die Kanäle eintretendes Material an einer seitlich getrennten Stelle im Querschnitt des Strömungsdurchgangs herauskommt, wodurch ein Mischen in Querrichtung erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite und jegliche nachfolgenden Anordnungen (4d) filamenttrennende Kanäle (9) aufweisen, die im Vergleich mit den Kanälen der stromaufwärts benachbarten Anordnung (4u) zahlreicher, jedoch von geringerem Querschnitt sind.

18. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Eingänge (5) zu den Anordnungen (4) deutlich definierte, stromaufwärts gerichtete Kanten aufweisen.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem sich die Kanten in einer rechteckigen oder hexagonalen Anordnung befinden.

20. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Verklumpungen (7) aus Garn oder aus Kabel in den Faserkörnchen (6) jeweils 1000 bis 5000 Filamente enthalten.