用于制造由许多单丝组成的纱线的方法和设备以及由此制成的单丝纱线

摘要

为了能制造适用于进一步加工为平面织物的纱线和/或使用它们制成半成品，以及它们的特征在于高强度、能便于数值化地计算机械负荷状态以及在于低的树脂消耗量，本发明建议了纱线的一种制造方法，纱线有许多单丝，将它们彼此间隔开地分别导送并用一种能流动的含溶剂的和通过至少一种物理参数和/或一种化学物质的作用交联的树脂涂层。接着挤压已涂层的单丝，从而构成一种由单丝和粘连地围绕这些单丝的树脂组成的和不夹杂气泡的复合物。在干燥过程中，从复合物中驱逐包含在树脂内的溶剂。接着，将作为单丝纱线存在的复合物在树脂未交联状态下卷绕。在实施上述所有工艺步骤期间，所有单丝保持单方向的定向。此外，公开了一种用于实施上述方法的设备和一种借此设备制造的单丝纱线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有许多单丝的纱线的制造方法。此外本发明涉及一种有 许多单丝的纱线的制造设备。

最后，本发明还涉及一种有许多单丝以及按本申请的方法或借助按本申请 的设备制造的纱线。

背景技术

制造由许多单丝组成的纱线(Garnen)的方法和设备以及这种纱线是广泛 地众所周知的。为了提高所制纱线的强度和改善纱线内单丝(按本申请单丝可 理解为单根长丝)的集聚(Zusammenhalt)，尤其在单丝涉及短纤维，亦即长丝 的长度比较短的情况下，单丝在纺纱方法的实施过程中互相扭绞。与扭绞不同， 单丝也可以通过使用硬化或可硬化的树脂可以说是互相粘结，以获得充分集聚 的复合物。这种有树脂份额的纱线涉及一种纤维复合材料。

已知纱线的缺点是，用它们通过进一步加工制成的平面织物(纺织物、针 织物、针织品、非织造织物、无纺织物等)或再用这些纺织的平幅结构在进一 步加工过程中制成的半成品(型材、板材、板条等)，它们的静力和动力特性很 难计算。尤其对于由纱线组成的织物，有限元素法(FEM)失效，而这种方法 在其他固体静力学领域中，借助如今可供使用的巨大的计算机容量，可以非常 精确地数值化地确定构件内的负荷。

此外已知由纱线及将它们保持在一起的树脂组成的复合材料还有一个缺点 是，树脂所占的份额很高。这不仅降低此类复合材料的强度，而且还使成本提 高，因为树脂比较昂贵。此外，使用大量树脂从环保的观点或资源保护方面也 认为是应受谴责的，因为在大多数情况下树脂是用原油制品生产的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，建议一种用于制造纱线的方法和设备，用这 种方法或这种设备可以制成纱线(Garnen)，纱线适用于进一步加工为平面织物 和/或使用它们制成半成品，它们的特征在于高强度、能便于数值化地计算机械 负荷状态以及在于低的树脂消耗量。

在方法技术方面，为解决上述技术问题从前言所述类型的方法出发采取下 列措施：将单丝优选地彼此间隔开地分别连续导送，并用一种能流动的含溶剂 的和通过至少一种物理参数和/或一种化学物质的作用交联的树脂涂层，其中接 着挤压已涂层的单丝，从而构成一种由单丝和粘连地围绕这些单丝0的树脂组 成的和不夹杂气泡的复合物，接着在干燥过程中，从复合物中驱逐包含在树脂 内的溶剂，然后，将作为单丝纱线存在的复合物在树脂未交联状态下卷绕，其 中在实施上述所有工艺步骤期间，所有单丝保持平行(亦即单方向的)定向。

本发明首先基于此认识，即，如在先有技术中按标准和理所当然要使用的 那种纱线单丝的扭绞，当用这种扭绞的纱线在进一步的加工步骤中，应通过添 加树脂制成(作为以后含有树脂的复合材料组成部分的)平面织物并由此制成 其他可能的半成品时，是有严重缺点的。也就是说，单丝的扭绞对于以后通过 使用能流动的树脂将许多纱线连接成纤维复合物是非常不利的，因为树脂几乎 不可能进入围绕纱线纵轴线的中心区，因为扭绞的单丝在一定程度上严密地封 闭了此内部区，从而阻挡树脂的进入。由此造成纱线的强度损失，因为纱线在 其内部基于缺失树脂没有达到充分的集聚。

采用按本发明的方法，通过已经为单丝涂层和接着的挤压，解决了上述疑 难问题，由此制成一种复合物，它在其整个横截面内仅由单丝和围绕它的树脂 组成。通过恰当的挤压方法，排除复合物横截面内夹杂气泡的可能性。因此， 按本发明的方法制成的纱线，在树脂交联后，即使在纱线内部也达到杰出的集 聚，因为在那里也充分发挥了树脂的粘结作用。由此使强度明显提高并增加了 数值化地确定负荷的可能性。

然而本发明还基于下述附加的认识，即，在将纱线进一步加工为平面织物， 或由此通过添加树脂进一步制成半成品时，使用含硬化树脂的纱线(如同使用 扭绞但不含树脂的纱线)是达不到目的的，而是若直至纱线被置于它们在最终 产品应具有的形状时才从事树脂的交联，则可达到在平面织物或由此制成的半 成品内单丝杰出的连接。因为按本发明在树脂处于未交联状态的纱线具有彼此 仍能相对运动以及互相平行延伸的单丝，所以在要由此制成较大结构的相邻纱 线之间，通过尽可能大的接触面造成良好的接触。例如通过加压可达到纱线(朝 矩形截面的方向)很大范围的整平或压扁，由此在例如交叉的纱线之间得到在 一定程度上平面状的接触面。这又导致在树脂交联后所制成产品特别高的强度， 以及基于单丝在成品内所占高的份额，所以极大地降低树脂消耗量，因为明显 减小了没有充填单丝的空隙。

因此本发明教导，将树脂的交联一直延后到，在一个或多个全都在纱线制 造结束后进行的其他工艺步骤后，此时已达到要制造的结构期望的终结形状， 为的是将树脂的连接潜力，直至在成品内能借此达到在多个纱线或包含在纱线 内的单丝之间复合时才使用。因此采用本发明创造了一种新的半成品，亦即“含 有未交联树脂的多单丝纱线”(单丝单方向地定向)，其中，树脂在其干燥后履 行了主要的中间任务，亦即将单丝复合物拼合成可操作的单丝纱线，以及在以 后的后续加工步骤期间保持此形状。这例如适用于纱线以后的运输、展开、交 织、针织、编织，或制造无纺织物等，成为成品或成为在进一步成为成品过程 中的半成品。因此从操作的方面看人们得到一种单丝纱线，然而它基于在以后 的交联过程前未交联的树脂，尤其通过加压，单丝处于可以彼此相对移动的状 态，其中已挤压的形状在交联后保持为成品或半成品最终的形状。树脂的干燥 (亦即去除溶剂)必须至少进行到这样的程度，亦即，一方面树脂的粘性能保 证单丝的集聚，以及另一方面防止在卷筒上卷绕的纱线的相邻线圈或纱线之间 粘结，并因而不再能为了进一步的使用按规定展开。

树脂涂层特别简单的方式在于，单丝通过浸入树脂槽内涂层，此时单丝优 选地被连续抽拉通过此槽。由此可以获得非常均匀的树脂涂层，以及几乎不造 成树脂材料的损失，在单丝的其他涂层方法中可能做不到这一点。这种槽的容 积也可以保持得很小，这对于更换树脂材料或停工时是有利的。

按本发明另一项设计建议，为了挤压单丝使用至少一个喷嘴，已涂层的许 多单丝通过它抽拉。其中喷嘴的内腔应是截锥形，所以当受挤压的单丝从喷嘴 的孔截面排出时，将多余的树脂滞留在喷嘴的内腔中。通过朝出口逐渐收缩的 喷嘴截面，在单丝运动途中造成拥堵压力，这样的拥堵压力一方面可以用树脂 良好地充填以后的整个纱线截面，尤其中心区，并因而又可能在以后的纱线截 面内可以说完全去除气体成分。优选地，喷嘴处于树脂槽内。

特别有利地，按本申请的方法可以采用下列长丝类型实施：

a)由合成聚合物，尤其芳族聚酰胺，优选地对芳族聚酰胺制成的长丝，

b)碳(Carbon)长丝，

c)玻璃长丝，

d)由矿物，尤其玄武岩制成的长丝，

e)由金属(丝)，尤其钢制成的长丝。

优选地，单丝应当具有的直径在3μm与30μm之间的范围内，优选地在4μm 与20μm之间，更优选地在6μm与10μm之间，和/或已挤压的复合物具有的直 径在3μm与30μm之间的范围内，优选地在4μm与20μm之间，更优选地在6μm 与10μm之间，和/或已被挤压的复合物具有的直径在150μm与10mm之间的范 围内，优选地在200μm与2mm之间，更优选地在250μm与1.0mm之间，和/ 或已干燥的单丝纱线具有的直径在120μm与10mm之间的范围内，优选地在 160μm与1.6mm之间，更优选地在220μm与0.9mm之间。

此外，单丝纱线应由数量在下列范围内的单丝组成：100至3000，优选地 150至2000，更优选地200至1000。

采用的树脂可以从下面这一组树脂类型中选择：

a)苯酚甲醛树脂，

b)氨基塑料树脂，

c)环氧树脂，

d)聚酯树脂，

e)ABS树脂，

f)硅酮树脂，

或由上述树脂类型中至少两种的混合物组成。

按本发明一项进一步发展建议，树脂在干燥前有溶剂的份额，优选地水的 份额，在10％与70％之间，优选地在20％与50％之间，更优选地在30％与40 ％之间。

按本发明方法一项特别优选的设计，借助与强迫输送的空气对流和/或借助 电磁射线，尤其红外射线和/或微波射线，从已涂层和挤压的复合物中驱逐溶剂。 其中，在干燥过程中温度优选地保持在70℃与110℃之间的范围内，优选地在 80℃与100℃之间的范围内，为的是可靠排除不希望的交联可能性。

为了改善树脂在单丝上的粘附以及减少将空气带入树脂槽内，单丝在用树 脂涂层前可以加热到50℃与80℃之间的温度，优选地加热到60℃与70℃之间 的温度。

为了获得有特殊性能的纱线以及使它们在多种要求方面得到优化，第一类 单丝可处于单丝已挤压的复合物内区中，而另一类单丝可处于至少一个沿半径 向外与内区连接的外区中。按选择可以在一种此类型由“芯”和(第一)“包套” 组成的单丝上，连接沿半径进一步向外的另一个形式上为第二外区的“包套”， 其中设有与第一外区内不同类型的单丝。以此方式可以获得针对不同的应用有 最佳性能的纱线，例如单纯强度优化、耐磨性优化、防火、隔热、消音等。在 这种有不同类型单丝彼此分界的区域的纱线中，各自区域之间的边界应由一些 同轴于纱线纵轴线定向的圆柱面构成。

若将单丝在涂层前进行清洗，尤其在净化剂池内洗涤和/或施加促进树脂流 动的预涂层，其中，将单丝(45、46、47)在清洗期间优选分离地导送，则改 善在涂层过程中的树脂流动，并因而避免在树脂-单丝复合物中留下夹杂的气 泡。

本发明有关设备方面的技术问题，通过一种用于制造具有许多单丝的纱线 的设备得以解决，在这里，设备有以下特征：

-至少一个输送装置，用于输入许多互相平行定向的单丝，

-一个涂层装置，借助它所述单丝别在其外表面用一种能流动的含溶剂的 和通过至少一种物理参数和/或一种化学物质的作用交联的树脂涂层，

-一个挤压装置，借助它可将由许多单丝和粘附的树脂占有的横截面减小 为，能制成由单丝和粘连地围绕它们的树脂组成的和不夹杂气泡的复合物，

-一个干燥装置，借助它可以从已挤压的复合物内驱逐包含在树脂内的溶 剂，以及

-一个卷绕装置，借助它可以拉应力最小地卷绕已干燥的复合物，使单丝 无扭绞地排布。

采用这种设备可以特别简单地实施按本发明的方法。

优选地，所述涂层装置是一个有树脂槽的容器，许多单丝可分离地导引通 过该树脂槽。

为了用简单的方式获得良好的挤压结果，所述挤压装置应当包括至少一个 喷嘴，它的内腔是截锥形。优选地，至少将喷嘴设在树脂槽内。

为了能制成包括至少两个有不同类型单丝的区域的纱线，并因而制成有组 合特性的纱线，建议，挤压装置有一个内喷嘴和一个与之同轴设置的外喷嘴。 在内喷嘴顶部与有截锥形内腔的外喷嘴内表面之间形成优选的环形间隙。因此 在这种情况下许多第一类单丝可导引通过内喷嘴的孔截面，以及许多第二类单 丝可导引通过喷嘴之间的环形间隙。以此方式在外喷嘴出口截面处可制成经挤 压的复合物(组合式复合物)，它有第一类单丝组成的内区以及第二类单丝组成 的外区。为了保证单丝良好的集聚和以后所制成的最终产品有高强度，在所有 这两类单丝之间的空隙完全充满树脂，以及在此组合式复合物内的所有这两类 单丝互相平行定向。

在挤压过程中设备的精细调谐，可以使外喷嘴沿轴向相对于内喷嘴移动并 固定在不同的位置。

按本发明，树脂占纱线总体积优选的份额在2％与15％之间，更优选地在 5％与12％之间。

附图说明

下面借助用于实施所述方法的设备以及按本发明的纱线的实施例详细说明 本发明。

其中：

图1表示设备的纵剖面；

图2a至图2c表示按图1的挤压装置的俯视图、侧视图和正视图；

图3a和图3b表示按图2a至图2c的挤压装置的外喷嘴和装入的内喷嘴两 个透视图；

图4a和图4b分别表示按图2a图2c的挤压装置的外喷嘴和内喷嘴；

图5表示通过有内区和两个外区的剖开示出的横剖面；以及

图6表示图5中包括三个相邻单丝的一个局部放大图。

具体实施方式

图1中表示的用于制造纱线2的设备1，作为主要部件有两个卷绕装置A、 两个输送装置3和4用于分别供给两种不同类型的许多图中没有逐个表示，而 是仅通过线5和6示意表示的单丝、一个清洗装置R、一个涂层装置7、一个挤 压装置8、一个仅示意表示的干燥装置9、以及最后还有一个卷绕装置10用于 卷取单丝纱线2。

展开装置可以无扭绞地展开成束的单丝，从而尤其排除顶端退绕。

两个输送装置3和4涉及略有弯曲的管件11和12，在这里涉及单丝的一 根根长丝以分离的形式穿过它们。单丝从没有进一步表示但由现有技术已知的 卷绕装置分别无扭绞地展开。

首先，两束单丝被导引通过清洗装置R的净化剂池或帘(引物)，接着这种 预处理将它们导向涂层装置。

涂层装置7由容器13构成，能流动的树脂14的槽处于其中，两种类型的 各自多个单丝延伸通过此槽。由此进行所有单丝的浸入式涂层。通过一个没有 表示的连接器保持树脂槽的液位15为常数，尤其补偿纱线涂层时树脂的连续消 耗。

在图2a至图2c中用三个视图分别描绘的挤压装置8，由内喷嘴16和与之 同轴布置的外喷嘴17组成。在图3a、3b和4a、4b中再次用不同的透视图详细 表示这两个喷嘴16和17。

内喷嘴16有一个截锥形外表面18和一个锥角较小的内表面19。内表面19 构成内喷嘴16内腔20的边界，其中，在内腔20中，直至设在内喷嘴16顶部 21的孔截面22，发生对许多以后制成纱线2内区的那些单丝的挤压，亦即径向 压缩。

外喷嘴17有台阶式圆柱形外表面23和截锥形内表面，其锥角仍大于内喷 嘴16截锥形外表面18的锥角。随着两类单丝纤维束在两个喷嘴16、17内腔20、 25中的连续运动，各自有效的环形或圆形截面从各自进口截面26、27开始连续 缩小，由此形成对单丝的挤压作用。

在外喷嘴17的出口截面28，在挤压过程结束时存在单丝纱线2，它在其横 截面内有比较严密的单丝排列，其中，在单丝之间的空隙充满树脂14以及绝对 没有夹杂气泡。

有意义的是，以后构成纱线2外区的那些单丝，起先作为横截面大体圆形 或以后整平的松散的纤维束，通过输送装置3的管件11进入设备1。在内喷嘴 16与外喷嘴17之间的环形腔区域内，沿喷嘴16、17轴向观察，导致外部单丝 绕内喷嘴16外表面18围绕(沿周向分布)。其结果是，外部单丝最晚在内喷嘴 16孔截面22的区域内形成一个(在横截面内观察的)闭环，它完全包围从内喷 嘴16排出并构成以后纱线2内区、横截面大体圆形配置的那些单丝。

内喷嘴16的外锥角约为1.5°至2.5°，优选地2.0°，以及内喷嘴16的内锥 角约为10°至15°，优选地约12°。外喷嘴的内锥角约15°至20°，优选地约18 °。

如前面说明的那样构成的单丝纱线2，在干燥装置9内通过使用微波射线 和/或热空气对流等干燥，亦即在本例中从纱线2内除去树脂14的由水构成的溶 剂，从而提高粘度，改善粘合特性并因而改善单丝的集聚。不过只发生物理意 义上的干燥，而树脂14的单体并没有化学交联。

离开干燥装置9后，纱线2稳定到这样的程度并因此不再有“粘合”特性， 亦即，使它可以在卷绕装置10上卷绕在相应的卷筒29上。在按本发明的方法 中重要的是，本例中两种类型的单丝没有在制造过程的任何地点互相扭绞。在 整个制造过程中，保持所有单丝平行，亦即单方向地定向，这也适用于已卷绕 在卷筒29上的“成品”纱线2。

由图1以及2a至2c可以看出，内喷嘴16固定在第一喷嘴支架30上。外 喷嘴17固定在第二喷嘴支架31上，确切地说通过外螺纹段32旋入喷嘴支架31 的与之配合作用的内螺纹段33内。由此在外喷嘴17绕轴线34的旋转过程中， 可以达到外喷嘴17沿双向箭头35水平移动。因此可以逐个调整挤压参数。由 这些图还可以看出，这两个喷嘴支架30、31用螺钉与底板36连接，其中，底 板36安装在容器13的底面37上。喷嘴16、17，喷嘴支架30、31以及底板36， 与使用于连接的螺钉一样，用不锈钢制造。这同样适用于容器13和输送装置3 和4的管件11和12。

由图3a和3b及4a和4b还可以看出，内喷嘴16有一个与其截锥形前部连 接的管状后部，它连接在前部的台阶38上。内喷嘴16可将具有孔截面39的后 部，插入管状喷嘴支座41相应扩张和适配的孔段40内，喷嘴支座41又与喷嘴 支架30连接。

借助设备1可以制成纱线2，它的横截面圆形的内区由大约100至2000个 碳(Carbon)单丝组成。在横截面内环形地围绕内区配置的外区仍有约100至 2000个单丝。它们可例如由玻璃或陶瓷组成。两类单丝的直径可在约5μm与 25μm之间，优选地在约8μm与20μm之间。优选地一种类型的单丝全都有同一 种直径，所有类型的单丝也可以有同样的直径。

在本例中树脂14由硅酮树脂混合物组成。特别适用的是德国慕尼黑Fa. Wacker Chemie AG公司的硅酮树脂，它以名称“WS40”销售。

硅酮树脂的交联在以后的一个时刻进行，此时成品纱线2重新从卷筒29展 开以及加工为半成品或最终产品(纺织的平幅结构或三维结构)，并因而确定零 件的最终构型。交联温度高于140℃，此时优选地施加约达500N/mm²的压力。 未交联纱线2的进一步处理不是本申请的技术主题。

与用设备1制成的纱线2相比，按图5的另一种纱线2′有一种三个区的结 构。内区42被横截面圆形的第一外区43围绕，它沿半径向外方向又被横截面 圆形的第二外区44围绕。在图5所示的情况下，内区的单丝45由碳纤维构成， 第一外区43的单丝46由玄武岩组成，以及第二外区44的单丝47由硅酮组成。 应当注意，图中表示的单丝45至47有关在各自区域内存在的数量没有按正确 的尺寸比例。如已参见作为设备1产品的纱线2说明的那样，在内区42中优选 地存在至少约100个单丝。在两个外区43、44内典型地有比较多的单丝，亦即 在约500与1500之间，这取决于选择的层厚。

与所有按本发明的方法制成的纱线一样，纱线2′的特征也在于，在所有三 个区域内的单丝45至47非常高的包装密度。图6中在选取的三个作为范例的 单丝47旁的间隙48，其横截面有一种典型的三角区形式(有弯曲边的三角形)。 实际上在假想的接触线49或接触面区域内也存在薄的树脂夹层，由此在树脂以 后交联时提高由单丝47和树脂组成的复合物的强度。对于构成纱线2′对外方向 边界的单丝47，树脂14也处于以虚线50为界围绕单丝47的区域内，以及也处 于相邻单丝47之间形成的三角区51中。总之，在采用按本发明的方法中或在 纱线2、2′中树脂消耗量最小。

芳族聚酰胺，尤其对芳族聚酰胺长丝，由于价格高，所以它尤其在强度特 性或强度与质量之比重要时(航空和航天，安全技术等)才使用。玻璃纤维是 提供令人满意特性的便宜材料。在对耐热强度有高要求时可以使用陶瓷或玄武 岩纤维。耐磨的单丝大多在外区内使用，而有高拉伸强度的单丝大多使用于内 区。

附图标记清单

1     设备

2、2′纱线

3     输送装置

4     输送装置

5     线

6     线

7     涂层装置

8     挤压装置

9     干燥装置

10    卷绕装置

11    管件

12    管件

13    容器

14    树脂

15    液位

16    内喷嘴

17    外喷嘴

18    外表面

19    内表面

20    内腔

21    顶部

22    孔截面

23    外表面

24    内表面

25    内腔

26    进口截面

27    进口截面

28    出口截面

29    卷筒

30    喷嘴支架

31    喷嘴支架

32    外螺纹段

33    内螺纹段

34    轴线

35    双向箭头

36    底板

37    底面

38    台阶

39    孔截面

40    孔段

41    喷嘴支座

42    内区

43    第一外区

44    第二外区

45    单丝

46    单丝

47    单丝

48    间隙

49    接触线

50    线

51    三角区

R     清洗装置