Gläser zur Herstellung von Glasfasern Die Zusammensetzung von Gläsern,
die zu Glasfasern, Glasfäden, Glaswolle, Glasgespinst usw. (im folgenden sei kurz
von Glasfasern gesprochen) verarbeitet werden, hat im Laufe der technischen Entwicklung
und entsprechend den steigenden Ansprüchen an dieses Erzeugnis mehrere Stufen durchlaufen.
Wohl die erste Glasfaser war das sog. Engelshaar, das aus leicht schmelzbaren, alkalireichen
Gläsern hergestellt wurde. Solche Gläser mit etwa 20')/, und mehr Alkali sind gegen
die Einwirkung von Feuchtigkeit so wenig widerstandsfähig, daß sie für technische
Zwecke nicht brauchbar sind; durch, oberflächliche Zersetzung bilden sich Alkalisalze,
die die einzelnen Fasern verkleben, die Wolle oder ein Gewebe verkrusten und bei
mechanischen Einwirkungen zerbröckeln oder zerpulvern lassen. Man ging deshalb für
technische Zwecke zu Gläsern über, die einen mittleren Alkaligehalt um etwa 16%,
zum Teil noch etwas Borsäure besitzen und in ihrer chemischen Widerstandsfähigkeit
den üblichen Hohlgläsern vergleichbar sind. Aus solchen Gläsern wurde Glaswolle
für Isolierzwecke, Glasfaser und Glasgewebe u. dgl. hergestellt. Doch genügte auch
dieses Erzeugnis einer Reihe von Ansprüchen nicht, im besonderen in der Elektroindustrie,
z. B. zur Kabelumspinnung, im Elektromotorenbau u. dgl. Es wurde geltend gemacht,
daß die alkalihaltige Glasfaser in elektrischer Hinsicht nicht befriedige und nach
einiger Zeit zerpulvere, was dann elektrische Durchschläge ergibt. Die gleiche Erscheinung
des Zerpulverns trat bei der Verwendung von Glaswolle zu Isolierzwecken z. B. in
Kühlschränken auf. Man versuchte die Glasfaser durch einen Überzug aus organischen
Kunststoffen, Fetten, Ölen u. dgl. vor dem Angriff der Feuchtigkeit
zu
schützen, doch brachte auch diese Maßnahme nur geringen Erfolg. Da man im Alkali
die Ursache für das Versagen der Glasfasern erblickte, ging man zu alkalifreien
Gläsern über, die meist dem System Erdalkali-Tonerde-Kieselsäure angehören, in der
Regel mit einem merklichen Zusatz von Borsäure, um diese Gläser leichter schmelzbar
zu machen. Und schließlich stellte man im technischen Maßstab Glasfasern oder Wolle
aus reinem Quarzglas her, in der Hoffnung, hinsichtlich der Gebrauchseigenschaften
hiermit das Optimum erreicht zu haben. Leider haben sich die Erwartungen für die
alkalifreien Gläser und sogar für das Quarzglas nichtbestätigt, was in Fachkreisen
bekannt ist. Diese Beobachtungen, daß nämlich sogar die Quarzglasfasern nach einer
Reihe von Monaten, spätestens i Jahr, ihre guten mechanischen Anfangseigenschaften
(hohe Zugfestigkeit und Biegsamkeit) verlören haben, andere Gläser nach i oder 2
Jahren, haben wir selbst im Rahmen unserer Untersuchungen auf dem Gebiet der Glasfaser
mit Gläsern der verschiedensten Zusammensetzungen im Laufe der vergangenen io Jahre
gemacht. Dabei fiel uns jedoch auf, daß gewisse, für bisherige Begriffe ungewöhnliche
Glaszusammensetzungen sich auch nach dreijährigem Lägern ohne Schutzüberzug nach
wie vor günstig verhalten, und es gelang uns, die maßgebenden Faktoren zu finden,
die hinsichtlich der Glaszusammensetzung beachtet werden müssen, um eine dauerhafte
Glasfaser zu erhalten.Glasses for the production of glass fibers The composition of glasses,
those relating to glass fibers, glass threads, glass wool, glass spun, etc. (in the following, be brief
glass fibers) have been processed in the course of technical development
and go through several stages according to the increasing demands on this product.
The first glass fiber was probably the so-called angel hair, made from easily meltable, alkali-rich
Glasses was made. Such glasses with about 20 ') /, and more alkali are against
the action of moisture so little resistant that it is suitable for technical
Purposes are not useful; by, superficial decomposition, alkali salts are formed,
which stick together the individual fibers, crust up the wool or a fabric and at
mechanical effects crumble or powder. So you went for
technical purposes to glasses with an average alkali content of around 16%,
partly still have some boric acid and their chemical resistance
are comparable to the usual hollow glasses. Such glasses became glass wool
for insulation purposes, glass fiber and glass fabric and the like. But it was enough
this product does not meet a number of claims, especially in the electrical industry,
z. B. for cable wrapping, in electric motor construction and the like. It was asserted that
that the alkaline glass fiber is not satisfactory in electrical terms and after
powder for a while, which then results in electrical breakdowns. Same appearance
of powdering occurred when using glass wool for insulating purposes, for. Am
Refrigerators on. The glass fiber was tried through a coating of organic
Plastics, fats, oils and the like before the attack of moisture
to
protect, but this measure also had little success. Since you are in alkali
saw the cause of the failure of the glass fibers, one went to alkali-free
Glasses, which mostly belong to the alkaline earth-alumina-silica system, in the
Usually with a noticeable addition of boric acid to make these glasses easier to melt
close. And finally, fiberglass or wool were produced on a technical scale
made of pure quartz glass, in the hope of using properties
to have achieved the optimum with this. Unfortunately, expectations for that have increased
alkali-free glasses and even for the quartz glass not confirmed, which is something in specialist circles
is known. These observations, namely that even the quartz glass fibers after a
For a number of months, at the latest i year, their good initial mechanical properties
(high tensile strength and flexibility), other glasses according to i or 2
Years ago, we did our own research in the field of fiber optics
with glasses of the most varied compositions over the past ten years
made. In doing so, however, we noticed that certain, for previous concepts, unusual
Glass compositions even after three years of storage without a protective coating
behaved favorably as before, and we managed to find the decisive factors
which must be observed with regard to the glass composition in order to achieve a permanent
Fiber optic.
Der Gegenstand der Erfindung ist nun, daß Gläser, die eine dauerhafte
Glasfaser ergeben; außer der bisher bekannten Eigenschaft einer genügenden, aber
nicht übertriebenen chemischen Widerstandsfähigkeit überraschenderweise folgende
zwei einander zuwiderlaufende Eigenschaften gleichzeitig besitzen müssen: i. einen
möglichst hohen -Ausdehnungskoeffizienten, z. einen möglichst hohen Transformationsbereich.
Eine scharfe Grenze in diesen Eigenschaften gibt es naturgemäß nicht; die Wirkung
ist um so besser, je höher die beiden Eigenschaftswerte liegen. Der lineare Ausdehnungskoeffizient
muß aber mindestens 6o - 1o-' betragen, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Der
Transformationsbereich, dessen mittlere Temperatur hier als Transformations Punkt
in dem üblichen Sinne angesehen werden soll, J muß erfindungsgemäß wenigstens 54o°
betragen. Die Beständigkeit gegen Feuchtigkeit ist nach unseren Beobachtungen demgegenüber
nicht so entscheidend; es genügt, wenn die Glasfasern der hydrolytischen Gruppe,
d. h. II oder III, ja sogar bis Mitte IV noch der Normenvorschrift entsprechen,
d. h. etwa guten Hohlgläsern gleichzustellen sind.The object of the invention is now that glasses that have a permanent
Fiberglass yield; apart from the previously known property of a sufficient, but
The following surprisingly not exaggerated chemical resistance
must have two mutually contradicting properties at the same time: i. a
The highest possible expansion coefficient, e.g. as high a transformation area as possible.
Naturally, there is no sharp limit to these properties; the effect
is the better, the higher the two property values are. The coefficient of linear expansion
but must be at least 6o - 10o 'in order to achieve the desired effect. Of the
Transformation area, its mean temperature here as transformation point
to be viewed in the usual sense, according to the invention, J must be at least 54o °
be. According to our observations, the resistance to moisture is on the other hand
not so crucial; it is sufficient if the glass fibers of the hydrolytic group,
d. H. II or III, even up to the middle of IV still comply with the standard,
d. H. are roughly equivalent to good hollow glasses.
Die beiden Forderungen nach hohem Ausdehnungskoeffizienten und hohem
Transformationspunkt laufen einander bis zu einem gewissen Grade entgegen; die üblichen
technischen Gläser haben deshalb entweder einen hohenAusdehnungskoeffizienten, aber
niedrigen Tran_sformationspunkt, oder aber sie haben einen hohen Transformationspunkt,
dann aber einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten. Dies dürfte der Grund sein,
daß man bisher mit den üblichen technischen Gläsern, die nach sonstigen glastechnischen
Gesichtspunkten zusammengesetzt sind, nicht zum ' Ziel kam. Trotzdem ist es an Hand
der heute allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten jedem Fachmann möglich, diesen neuartigen
Forderungen entsprechend- besondere Gläser zusammenzusetzen und sie seinem jeweiligen
Herstellungsverfahren anzupassen. So kann man mittlere Alkaligehalte von etwa io
bis 2o°jo anwenden, um dem Glas einen möglichst hohen Ausdehnungskoeffizienten zu
verleihen. Man kann davon Gebrauch machen, daß Kali in dieser Hinsicht wirksamer
ist als Natron oder Lithiumoxyd und bekanntermaßen das Glas gleichzeitig schwerer
schmelzbar und lang macht, was für das Spinnen erwünscht ist. Zur Erhöhung des Transformationspünkts
verwendet man, wie bekannt, Verbindungen z. B. des Aluminiums, Zirkons, Thoriums,
Berylliums, Titans, Calciums u. ä. in Mengen von etwa io bis 30°/0, aber auch z.
B. Borsäure in Mengen bis zu io°/o. Je nachdem ob man, was meist der Fall sein wird,
ein langes oder kurzes Glas wünscht, wird man Kali, Tonerde, Zirkonoxyd, Berylliumoxyd,
Magnesia u.dgl. den Vorzug geben, oder aber Natron, Lithiumoxyd, Titandioxyd, Calciumoxyd,
Borsäure. Andere Glasbestandteile, wie Baryt, Strontiumoxyd, Zinkoxyd u. dgl können
ebenfalls verwendet werden, bieten jedoch keine wesentlichen Vorteile. Kleine Mengen
Flußspat haben sich bisweilen als vorteilhaft erwiesen, um die Läuterung zu unterstützen.The two demands for a high coefficient of expansion and a high one
Transformation points run counter to each other to a certain extent; the usual
technical glasses therefore either have a high coefficient of expansion, but
low transformation point, or they have a high transformation point,
but then a low coefficient of expansion. This should be the reason
that up to now one has been using the usual technical glasses that have been used in accordance with other technical glassware
Are composed of points of view, did not achieve the goal. Still, it's on hand
of the laws generally known today, every skilled person is able to create this novel
Requirements to assemble special glasses and to match them to his respective
Adapt manufacturing process. So you can get average alkali contents of about io
Use up to 2o ° jo in order to give the glass the highest possible expansion coefficient
to lend. One can make use of the fact that Kali is more effective in this regard
is at the same time heavier than soda or lithium oxide and, as is well known, the glass
meltable and long makes what is desired for spinning. To increase the transformation point
is used, as is known, compounds z. B. of aluminum, zirconium, thorium,
Beryllium, titanium, calcium and the like in amounts of about 10 to 30%, but also z.
B. Boric acid in amounts up to 10%. Depending on whether you, which will usually be the case,
if a long or short glass is desired, one will use potash, alumina, zirconium oxide, beryllium oxide,
Prefer magnesia and the like, or baking soda, lithium oxide, titanium dioxide, calcium oxide,
Boric acid. Other glass components such as barite, strontium oxide, zinc oxide and the like can be used
can also be used, but offer no significant advantages. Small amounts
Fluorspar have sometimes been found to be beneficial to aid purification.
Als Beispiel für Glaszusammensetzungen dieser Art seien folgende genannt
(Angaben in Gewichts-Prozent)
Kieselsäure (Si02) .... 6o 69 61 54
Borsäure (B203) ...... - - 5 -
Tonerde (A1203) ...... i2 1 6 S
Titandioxyd (Ti 02) - - iö
Zirkonoxyd (Zr 02) 7 - -
Berylliumoxyd (Be 0) 3 - -
Kalk (Ca0) . . . . . . . . . . 10 4 12 6
Flußspat ............ - - - 3
Natron (Na, 0) ....... 12 3 2 5
Kali (K20) . . . .. . . . . . 6 S 14 14
Gläser dieser Art zeigen trotz ihres verhältnismäßig hohen Alkaligehalts eine ausreichende
hydrolytische Haltbarkeit.As an example of glass compositions of this type, the following are mentioned (data in percent by weight) Silicic acid (Si02) .... 6o 69 61 54
Boric acid (B203) ...... - - 5 -
Alumina (A1203) ...... i2 1 6 p
Titanium dioxide (Ti 02) - - iö
Zirconium oxide (Zr 02) 7 - -
Beryllium oxide (Be 0) 3 - -
Lime (Ca0). . . . . . . . . . 10 4 12 6
Fluorspar ............ - - - 3
Soda (Na, 0) ....... 12 3 2 5
Potash (K20). . . ... . . . . 6 S 14 14
In spite of their relatively high alkali content, glasses of this type have sufficient hydrolytic durability.
Es ist uns gelungen, die Erklärung für diese überraschende Beobachtung
zu finden. Die Glasfasern verdanken ihre guten mechanischen Eigenschaften der Tatsache,
daß ihre Oberfläche unter starker Druckspannung steht, die bei der Herstellung ganz
von selbst durch die mit der Faserbildung verbundene Abschreckung des Glases entsteht.
Voraussetzung für das Auftreten dieser Spannungen ist, daß die durch die Abschreckung
hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen Glasinnerem und Oberfläche eine Längendifferenz
hervorruft Diese ist aber nur möglich, wenn das Glas einen merklichen Ausdehnungskoeffizienten
besitzt. Die Spannungen werden um so größer sein, j e größer der Ausdehnungskoeffizient
ist. Beseitigt man diese Spannungen in einem beliebigen Glasfaden etwa durch Erhitzen
in der Nähe des Transformationspunkts, so wird der Glasfaden brüchig und verliert
seine wertvollen Eigenschaften, einerlei, ob er viel oder wenig Alkali enthält und
durch einen
Überzug geschützt ist oder nicht. Die Spannungen nehmen
aber nicht nur in der Nähe des Transformationspunktes ab, sondern auch bei tieferen
Temperaturen, wenngleich der Vorgang hier sehr viel langsamer erfolgt. Man kennt
diese Veränderung als thermische Nachwirkung bei optischen Gläsern, Thermometergläsern
(Veränderung des Nullpunktes). Der Entspannungsvorgang geht also grundsätzlich um
so langsamer vor sich, je weiter man das Glas unter den Transformationspunkt unterkühlt.
Da die Entspannungszeiten sich in diesem Bereich exponentiell ändern, ist es durch
Vergrößerung des Abstandes von Gebrauchstemperatur des Glases bzw. der Glasfaser
bis zum Transformationspunkt möglich, von einer Entspannungszeit von etwa i/2 oder
i Jahr auf io oder ioo Jahre zu kommen, d. h. praktisch unbeschränkt haltbare Erzeugnisse
herzustellen. Mit Hilfe eines nennenswerten Ausdehnungskoeffizienten des Glases
muß man also die Glasfaser vorspannen und durch Wahl eines hohen Transformationspunktes
dafür sorgen, daß sich diese Vorspannung möglichst lange hält.We have succeeded in explaining this surprising observation
to find. The glass fibers owe their good mechanical properties to the fact
that their surface is under strong compressive stress, which is entirely during manufacture
arises by itself through the quenching of the glass associated with the fiber formation.
The prerequisite for the occurrence of these tensions is that that caused by the deterrent
The temperature difference between the inside of the glass and the surface is a difference in length
This is only possible if the glass has a noticeable coefficient of expansion
owns. The greater the expansion coefficient, the greater the stresses
is. If you remove these tensions in any glass thread, for example by heating
near the transformation point, the glass thread becomes brittle and loses
its valuable properties, regardless of whether it contains a lot or little alkali and
through a
Plating is protected or not. Take the tension off
but not only in the vicinity of the transformation point, but also at deeper ones
Temperatures, although the process takes place much more slowly here. One knows
this change as a thermal aftereffect in optical glasses, thermometer glasses
(Change of the zero point). The relaxation process is basically around
the slower the further one cools the glass below the transformation point.
Since the relaxation times change exponentially in this area, it's through
Increasing the distance from the service temperature of the glass or the glass fiber
possible up to the transformation point, from a relaxation time of about i / 2 or
i year to come to io or ioo years, d. H. products with a practically unlimited shelf life
to manufacture. With the help of a significant expansion coefficient of the glass
so you have to bias the fiber and choose a high transformation point
ensure that this bias is maintained as long as possible.