[0001] Die Erfindung betrifft das Verfahren zum Herstellen eines multifilen, anorganischen
Fadens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen faserverstärkten Verbundwerkstoff.
[0002] Dieses Verfahren ist bekannt und üblich zur Herstellung von Fäden mit Glasfaserseele.
Bei diesem üblichen Verfahren wird ein Hauptfaserbündel aus den anorganischen Glasfasern
durch einen Begleitfaden aus thermoplastischem Material, z.B. Polyamid, Polyäthylen,
Polypropylen, umwickelt. Ein derartiges Verfahren erfordert einen hohen apparativen
Aufwand und ist dabei langsam und kostspielig.
[0003] Um ein Glasfasergarn mit möglichst rundem, kompaktem Querschnitt herzustellen, ist
es durch US-PS 4,307,497 auch bekannt, das Garn in einer Luftdüse zu behandeln und
dabei mit einem Falschzwirn alternierender Richtung zu versehen. Ferner wird dabei
das Garn mit einer Binderflüssigkeit behandelt, wobei das Garn anschließend noch bei
Temperaturen von 425° bis 650 °C erhitzt und dadurch der Binder eingetrocknet wird.
Der Binder ist bei der Weiterverarbeitung störend bzw. muß nach der Weiterverarbeitung
des Glasfadens zu einem Flächengebilde, z.B. Gewebe, ausgewaschen werden.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
so fortzubilden, daß ein sofort gebrauchsfähiger anorganischer Faden mit möglichst
rundem und kompaktem Querschnitt in einem schnellen und bezüglich der erforderlichen
technischen Einrichtungen wenig aufwendigen Verfahren hergestellt werden kann.
[0005] Die Lösung ergibt sich aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1.
[0006] Durch die Maßnahme nach Anspruch 2 kann vermieden werden, daß das Hauptfaserbündel
bei Zugbelastung auch Querkräften ausgesetzt wird, die insbesondere bei Glasfäden
und Kohlestoffäden zum Bruch führen.
[0007] Die nach der Erfindung vorgesehene Erhitzung des kombinierten Faserbündels kann
nach dem Aufwickeln oder vor dem Aufwickeln in einer weiteren zwischengeschalteten
Verfahrensstufe erfolgen. Durch das Erhitzen schrumpfen die Fasern des thermoplastischen
Begleitfaserbündels, wobei sie gleichzeitig anschmelzen und sich an die Oberfläche
des Hauptfaserbündels anlegen. Hierdurch erhalten die Fasern des Hauptfaserbündels
einen Zusammenhalt und werden gleichzeitig in einem im wesentlichen runden, kompakten
Querschnitt festgelegt. Je nach Höhe der Temperatur schmelzen die thermoplastischen
Fasern des Begleitfaserbündels auch zumindest an ihrer Oberfläche. Dadurch wird der
Zusammenhalt des Hauptfaserbündels verstärkt und außerdem bilden die thermoplastischen
Fasern eine Schutzschicht, die die empfindlichen anorganischen Fasern schützt.
[0008] Eine besonders dichte, kompakte Lage der Fasern des Hauptfaserbündels läßt sich
auch dadurch erzielen, daß das kombinierte Faserbündel mit Spannung durch die Heizzone
geführt wird.
[0009] Bei der Herstellung von faserverstärkten Verbundkörpern, die aus einer Matrix mit
Fasereinlage bestehen, besteht ein Problem darin, eine gute Haftung zwischen Matrixmaterial
und Verstärkungsfasern zu erzielen. Die Haftung zwischen anorganischen Fasern und
der Matrix ist häufig unzulänglich, wenn das Matrixmaterial unter Biege- oder Zugbelastung
steht.
[0010] Dieses Problem wird in einer Weiterbildung der Erfindung nach den Ansprüchen 4 und
5 gelöst, indem zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundkörpers multifile, anorganische
Fäden nach dieser Erfindung verwandt werden. Insofern liegt der Vorteil der Erfindung
darin, daß durch die Fasern des thermoplastischen Begleitfaserbündels eine Modifizierung
der Oberfläche des Hauptfaserbündels eintritt, wobei die thermoplastischen Fasern
eine gute Haftung vermitteln. Das gilt insbesondere für Verbundwerkstoffe, deren Matrix
ein Duroplast oder Thermoplast ist. Es kann sich dabei z.B. um Leiterplatten, Wärmeschutzplatten,
Schleifscheiben und sämtliche faserverstärkten Kunststoffteile handeln.
[0011] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt.
[0012] Die Zeichnung zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens. Als
anorganischer, multifiler Faden wird ein Chemiefaserbündel behandelt.
[0013] Von der Vorlagespule 1 wird das Glasfaserbündel 2 abgewikkelt. Hierzu wird die Vorlagespule
an ihrem Umfang durch eine Antriebswalze 3 mit Antriebsmotor 4 angetrieben. Das Glasfaserbündel
2 durchläuft sodann das Lieferwerk 5 und daran anschließend eine Befeuchtungseinrichtung
11. Durch Befeuchtungseinrichtung 11 kann das Glasfaserbündel mit Wasser durchtränkt
werden.
[0014] Von der Vorlagespule 6 wird ein Begleitfaserbündel 7 mittels Lieferwerk 8 über Kopf
abgezogen. An das Lieferwerk 8 schließt sich eine Befeuchtungseinrichtung 12 an. In
der Befeuchtungseinrichtung 12 kann das Begleitfaserbündel ebenfalls mit Wasser durchtränkt
werden. Das Glasfaserbündel, im folgenden auch Hauptfaserbündel genannt, wird sodann
gemeinsam mit dem Begleitfaserbündel, welches aus thermoplastischem Material besteht,
in die Texturierdüse 10 geführt und mittels Lieferwerk 13 gemeinsam als Gesamtfaden
14 durch Lieferwerk 13 aus der Texturierdüse abgezogen. Der Gesamtfaden wird sodann
durch eine Konvektionsheizeinrichtung 15 geführt. Die Konvektionsheizeinrichtung 15
weist vor allem ein Heizrohr 16 auf, durch welches der Gesamtfaden 14 geführt wird.
Das Heizrohr 16 ist von außen beheizt. Der Gesamtfaden 14 wird aus der Heizeinrichtung
15 durch Lieferwerk 17 abgezogen. Anschließend wird der Gesamtfaden 14 zu einer Spule
20 aufgespult. Die Aufspuleinrichtung ist lediglich schematisch dargestellt und besteht
aus der Antriebswalze 21, die die Spule 20 an ihrem Umfang antreibt, einer Kehrgewindewelle
18 und einem Changierfadenführer 19, welcher den Gesamtfaden längs der Spule hin-
und herführt, und einem Antriebsmotor 22 für die Antriebswalze 21. Alle angetriebenen
Teile der Vorrichtung, also die Antriebswalze 3, das Lieferwerk 5, das Lieferwerk
8, das Lieferwerk 13, das Lieferwerk 17, die Antriebswalze 21 können mit wählbarer
Geschwindigkeit angetrieben werden. Hierzu sind je nach Auslegung der jeweiligen Antriebe
einstellbare Getriebe oder einstellbare Frequenzgeber 9, 23, 24, 25, 26 vorgesehen.
Durch Einstellung des Drehzahlverhältnisses zwischen der Antriebswalze 3 und dem Lieferwerk
5 wird gewährleistet, daß das Glasfaserbündel sicher von der Vorlagespule 1 abgezogen
wird. Durch das Lieferwerk 5 wird vermieden, daß sich die dabei entstehenden Zugkraftschwankungen
des Glasfaserbündels 2 bis in die Texturierdüse 10 fortsetzen.
[0015] Durch das Drehzahlverhältnis zwischen dem Lieferwerk 5 vor der Texturierdüse und
dem Lieferwerk 13 hinter der Texturierdüse wird die Fadenspannung eingestellt, mit
der das Glasfaserbündel 2 durch die Texturierdüse 10 geführt wird. In einer bevorzugten
Ausführung des Verfahrens wird das Glasfaserbündel, welches das Hauptfaserbündel ist,
unter relativ großer Spannung durch die Texturierdüse 10 geführt. Dadurch wird vermieden,
daß die Luftkräfte, die in der Texturierdüse 10 an dem Hauptfaserbündel angreifen,
zu Deformierungen der Filamente führen. Das ist vorteilhaft, weil die anorganischen
Fasern des Hauptfaserbündels wenig geeignet sind, Querkräfte aufzunehmen. Es kommt
daher darauf an, daß sie ihre Ausrichtung in der Längsrichtung des Fadens im wesentlichen
beibehalten.
[0016] Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Lieferwerk 8 vor und dem Lieferwerk 13 hinter
der Texturierdüse bestimmt die Fadenspannung, mit der der thermoplastische Begleitfaden
7 in die Texturierdüse 10 geführt und mit dem Hauptfaserbündel 2 vermischt wird. Dabei
ist die Liefergeschwindigkeit des Lieferwerks 8 bevorzugt größer als die Abzugsgeschwindigkeit
des Lieferwerks 13. Dadurch wird erreicht, daß die Filamente des Begleitfaserbündels
durch die Luftkräfte einem Platzwechsel unterworfen werden und Bögen bilden, die
das Hauptfaserbündel durchdringen. Bei noch größerer Zuliefergeschwindigkeit 8 relativ
zur Abzugsgeschwindigkeit 13 wird überdies erreicht, daß die Luftkräfte auch dazu
führen, daß die Filamente des Begleitfaserbündels Schlingen, Schlaufen bilden, welche
das Hauptfaserbündel durchdringen. Durch Einstellung der Überlieferung (Verhältnis
der Zuliefergeschwindigkeit 8 zur Abzugsgeschwindigkeit 13) kann zudem bestimmt werden,
wie weit Stücke dieser Schlingen, Schlaufen, Bögen über den Querschnitt des Hauptfaserbündels
hinausragen.
[0017] Bei der Texturierdüse 10 kann es sich um eine Verwirbelungsdüse handeln, wie sie
üblicherweise zur Herstellung von lufttexturierten Garnen verwandt wird (Ausführungsbeispiele
z.B. in: "Textilpraxis" 1969, S. 515 (Lünenschloß u.a.: "Texturierung von Chemiefäden
im Luftstrom")).
[0018] Es kann sich aber auch um eine sog. Tangeldüse handeln, die lediglich zur Herstellung
von Verknotungen dient. Ausführungsbeispiele derartiger Düsen ergeben sich z.B. aus
der CH-PS 415 939 (DuPont).
[0019] Wie bereits erwähnt, wird der Gesamtfaden 14 mit einer einheitlichen Geschwindigkeit
aus der Texturierzone durch Lieferwerk 13 abgeführt. Vorzugsweise wird der Hauptfaden
mit nur geringer Überlieferung, die zwischen 0 bis 5% beträgt, in die Texturierzone
geführt. Der thermoplastische Faden hat gleichzeitig eine Überlieferung zwischen 10
und 100%. Dadurch, daß der Glasfaden ziemlich stramm durch die Texturierdüse 10 läuft,
reichen die Luftkräfte nicht aus, den Glasfaden vollständig aufzulösen. Vielmehr werden
nur in den äußeren Filamenten Platzwechselerscheinungen hervorgerufen. Das hat zur
Folge, daß die Filamente des thermoplastischen Begleitfadens nur mit diesen Glasfilamenten,
die einen Platzwechsel durchführen, verflochten oder in sonstiger Weise verblasen
werden. Daher legen sich die Filamente des thermoplastischen Begleitfadens nach Art
eines Mantels um den Glasfaden herum.
[0020] Das Drehzahlverhältnis zwischen dem Lieferwerk 13 und dem Lieferwerk 17 bestimmt
die Fadenspannung des Gesamtfadens in dem Heizrohr 16.
[0021] Die Temperatur des Heizrohres 16 wird so hoch eingestellt, daß das Polymer des Begleitfaserbündels
zumindest schrumpft, vorzugsweise auch erweicht. Durch die bei Hitze auftretende Schrumpfung
des Polymers bewirken die Faserstücke der Filamente des Begleitfaserbündels, welche
quer zur Fadenachse liegen, also die Schlingen, Schlaufen, Bögen und dgl., eine Kompaktierung
des Ouerschnitts des Gesamtfadens. Gleichzeitig werden vor allem die Filamentstücke,
die über die Außenoberfläche des Gesamtfadens hinausragen, erweicht. Dadurch binden
diese Filamentstücke die Filamente des Hauptfaserbündels dauerhaft ein. Ferner entsteht
durch die Schwingungen des Gesamtfaserbündels im Heizrohr auf allen Bereichen des
Umfangs des Gesamtfaserbündels Kontakt mit dem Heizrohr 16. Dadurch werden die über
den Umfang des Gesamtfadens hinausstehenden Polymerfilamente an die Oberfläche des
Gesamtfadens "angebügelt". Auch hierdurch wird die Einbindung verstärkt. Dabei kann
es nicht ausgeschlossen werden und es ist nicht nur unschädlich, sondern in besonderen
Fällen auch erwünscht, daß die Temperatur des Heizrohres so hoch ist, daß es zum Schmelzen
der Polymerfilamentstücke, die über die Oberfläche des Gesamtfadens hinausragen, kommt.
Die Temperatur des Heizrohres kann auch über der Schmelztemperatur des Polymers liegen.
Es muß lediglich vermieden werden, daß es durch Temperatureinwirkung zur Zerstörung
des Polymers kommt.
[0022] Das Gesamtfaserbündel wird mit einer relativ hohen Spannung durch das Heizrohr geführt.
Das heißt, daß die Abzugsgeschwindigkeit des Lieferwerks 17 geringfügig höher, gleich
oder geringfügig kleiner ist als die Zuführgeschwindigkeit des Lieferwerks 13. Bei
einer Voreilung des Lieferwerks 13 von 0 bis 5% ist noch gewährleistet, daß der Gesamtfaden
unter einer ausreichenden Spannung steht, wobei sich die Schrumpfkräfte vor allem
in Querrichtung auswirken können.
[0023] Durch Einstellung der Geschwindigkeit der Antriebswalze 21 können weiche oder harte
Spulen hergestellt werden.
[0024] Die Erfindung hat gegenüber der bekannten Luftstrahlbehandlung des Glasfaserbündels
den Vorteil, daß das Glasfaserbündel nicht oder nur in geringem Maße an den Platzwechselerscheinungen
teilnimmt. Daher tritt im Gegensatz zu der bekannten Luftstrahlbehandlung kein bzw.
nur ein geringer Festigkeitsverlust ein. Durch die Erfindung entstehen anorganische,
z.B. Glas-Fäden, die eine Art Ummantelung aus thermoplastischem Material besitzen.
Sie eignen sich daher sehr gut für die Weiterverarbeitung und haben insbesondere in
faserverstärkten Werkstoffen eine gute Verbindung mit der Werkstoffmatrix. Bei Herstellung
von Flächengebilden wie Geweben oder dgl. ist es möglich, die Polymerkomponente durch
Lösungsmittel wieder auszuwaschen.
BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG
[0025]
1 Vorlagespule, Glasfaserbündel
2 Glasfaserbündel, Hauptfaserbündel
3 Antriebswalze
4 Antriebsmotor
5 Lieferwerk
6 Vorlagespule, Begleitfaserbündel
7 Begleitfaserbündel
8 Lieferwerk
9 Getriebe, Frequenzgeber
10 Texturierdüse
11 Befeuchtungseinrichtung
12 Befeuchtungseinrichtung
13 Abzuglieferwerk
14 Gesamtfaden, Kombinationsfaden
15 Heizeinrichtung
16 Heizrohr
17 Lieferwerk
18 Changiereinrichtung
19 Changierfadenführer
20 Aufwickelspule
21 Antriebswalze
22 Antriebsmotor

1. Verfahren zum Herstellen eines multifilen, anorganischen Fadens durch Zusammenbinden
der anorganischen Fasern, insbesondere Glasfasern, Kohlestoffasern, Metallfasern eines
Hauptfaserbündels mittels eines Begleitfaserbündels, welches Begleitfaserbündel aus
thermoplastischen Endlosfasern besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Hauptfaserbündel gemeinsam mit dem ungespannten Begleitfaserbündel durch die Verwirbelungszone
einer Gasdüse geführt und darin durch Gasstrahlen und/oder Gaswirbel derart verblasen
wird, daß Fasern des Begleitfaserbündels stückweise in Form von Schlingen, Schlaufen,
Bögen und dgl. in das Hauptfaserbündel eindringen und mit dem Hauptfaserbündel vermischt
werden, und daß das kombinierte Faserbündel anschließend bei einer zur Erweichung
des Begleitfaserbündels ausreichenden Temperatur erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Hauptfaserbündel unter Spannung durch die Verwirbelungszone geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das kombinierte Faserbündel unter Spannung durch die Heizzone geführt wird.
4. Faserverstärkter Verbundwerkstoff,
gekennzeichnet durch
Verstärkungsfäden, die aus einem multifilen, anorganischen Hauptfaserbündel bestehen,
welches mit einem thermoplastischen Begleitfaserbündel derart verbunden ist, daß Fasern
des Begleitfaserbündels in Form von Schlingen, Schlaufen, Bögen und dgl. in das Hauptfaserbündel
eindringen und in das Hauptfaserbündel eingemischt sind,
und daß Fasern des Begleitfaserbündels in Form von Schlingen, Schlaufen, Bögen und
dgl. auf der Oberfläche des Hauptfaserbündels liegen und dieses umschließen.
5. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundkörpers,
gekennzeichnet durch
die Verwendung eines nach den Ansprüchen 1 bis 3 hergestellten Glasfadens, Kohlestoffadens,
Metallfadens.