Massenstrom, Ziehkraft und Geschwindigkeitsverteilung beim Glasfaserziehvorgang

Abstract

Experimentelle Untersuchungsergebnisse des Massenstromes und die daraus resultierenden Fadendurchmesser beim Glasfaserziehvorgang (Düsenziehverfahren) zeigen ein Verhalten, das nicht allein mit der Durchflußformel nach Hagen-Poiseuille beschrieben werden kann. Als Ursache dieser Abweichung wird die Oberflächenspannung der Glasschmelze und die von der Viskosität bestimmte Verformungskraft zur Bildung der Glasfaser erkannt. Es wird eine Beziehung für die an der Faser und an der „Ziehzwiebel" angreifende Zugkraft auf Grund des am entstehenden Faden herrschenden Kräftegleichgewichtes auf der Basis früherer Arbeiten abgeleitet und experimentell bestätigt, nachdem sich experimentell erwiesen hat, daß die axiale Geschwindigkeitsverteilung an der Oberfläche der Ziehzwiebel schon nach sehr kurzer Distanz vom Düsenausgang (z < R₀/2) mit der über den Radius gemittelten übereinstimmt. Als Parameter gehen die Geometrie der Ziehzwiebel, die Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte der Glasschmelze am Düsenausgang ein. Sowohl der berechnete Massenstrom als auch die Faserziehkraft befinden sich in guter Übereinstimmung mit dem Experiment. Von besonderem Einfluß auf den Massenstrom erweist sich der Benetzungszustand des Düsenausgangs. Mass flow, drawing force and velocity distribution in glass fibre drawing Experimental data on the mass flow and fibre diameter for glass fibres drawn from an orifice show behaviour which cannot be interpreted only by the Hagen-Poiseuille law. The origin of the discrepancies lies in the surface tension and the viscous deformation forces involved in forming the fibre. An equation for the drawing forces acting on the fibre and the jet is deduced on the basis of the equilibrium of the pre-dominant forces using earlier works and has been confirmed experimentally. It has been shown experimentally that the axial velocity distribution on the surface of the jet agrees with the mean velocity over the cross section after a very short distance (z < R₀/2) of the orifice opening. The parameters involved are the geometry of the jet together with viscosity, surface tension and density of the melt at the orifice exit. The calculated mass flow and fibre drawing force are then found to be in good agreement with experiment. The wetting behaviour at the orifice exit has a particular influence on the mass flow. Courant de masse, force d'étirage et répartition de la vitesse au cours du processus d'étirage d'une fibre de verre Les résultats d'études expérimentales effectuées sur le courant de masse et les diamètres de fibres qui en résultent (dans le procédé d'étirage mécanique à travers des filières) révèlent un comportement qui ne peut être décrit par la seule formule d'écoulement de Hagen-Poiseuille. On constate que la tension superficielle de la fonte du verre et la force de déformation déterminée par la viscosité et qui sert à former la fibre sont les causes de cette anomalie. En partant de l'équi-libre des forces qui regne à la naissance de la fibre et sur base de travaux antérieurs, on en déduit une relation applicable à la force de traction qui s'exerce sur la fibre à l'endroit du bulbe après avoir eu confirmation expérimentale de ce que la répartition des vitesses axiales à la surface du bulbe coincide déjà, à très faible distance de la sortie de la filière (z < R₀/2) avec celle calculée à partir du rayon. Les paramètres qui interviennent sont la géométrie du bulbe de la fibre, la viscosité, la tension superficielle et la densité du verre fondu à la sortie de la filière. Le courant de masse calculé, de même que la force d'étirage de la fibre, sont en bon accord avec les valeurs trouvées expérimentalement. Il apparait que le degré de mouillage de la sortie de la filière exerce une influence particulière sur le courant de masse.