<Desc/Clms Page number 1>
WERKWIJZE VOOR HET VERWERKEN VAN EEN MATERIAAL OMVATTEND
THERMOPLASTISCH POLYMEER EN VEZELIG VERSTERKINGSMATERIAAL
De uitvinding betreft een werkwij2e voor het verwerken van een materiaal omvattend thermoplastisch polymeer en vezelig versterkingsmateriaal tot een gevormd product met behulp van een matrijs.
Een dergelijke werkwijze wordt o. a. thermovormen genoemd. Het is algemeen bekend om een hoeveelheid vezels en een hoeveelheid thermoplastisch polymeer in een matrijs te brengen en op te warmen onder druk, waarbij het thermoplastisch polymeer smelt en de vezels benat. Als alle polymeer is gesmolten en de vezels goed benat zijn, wordt de matrijs in de pers afgekoeld tot onder het smeltpunt van het polymeer, zodat het product consolideert. Het product wordt uitgenomen en de pers kan weer gebruikt worden voor een volgende cyclus, zie ook "Kunststof & Rubber, 1991, no. 1, pag. 15-19".
Het nadeel van een dergelijke werkwijze is dat het in de pers opwarmen en weer afkoelen van de matrijs vrij veel tijd vergt. Voor massaproductie is dit een bezwaar.
Bovendien is een gecompliceerde opwarm-en afkoelinrichting vereist terwijl de werkwijze ook veel energie verbruikt.
De uitvinding stelt zieh ten doel een werkwijze te verschaffen die genoemde nadelen niet heeft.
Dit wordt volgens de uitvinding bereikt doordat het materiaal bestaande uit thermoplastisch polymeer en vezelig versterkingsmateriaal in een eerste matrijs onder druk wordt verwarmd en in een tweede matrijs onder druk wordt afgekoeld.
Hierdoor wordt bereikt dat de eerste matrijs slechts eenmaal, bij het opstarten van een productieserie,
<Desc/Clms Page number 2>
op de gewenste temperatuur behoeft te worden gebracht en daarna op die temperatuur kan worden gehouden. Ook de tweede matrijs hoeft slechts eenmaal op de gewenste temperatuur gebracht te worden, afgezien natuurlijk van de effecten van warmteuitwisseling met het materiaal dat bestaat uit thermoplastisch polymeer en vezelig versterkingsmateriaal.
De hoeveelheid energie benodigd voor het opwarmen en afkoelen wordt nu alleen bepaald door de soortelijke warmte en het gewicht van het materiaal bestaande uit thermoplastisch polymeer, verder kortweg thermoplast genoemd, en vezelig versterkingsmateriaal en niet meer door de warmtecapaciteit van de matrijs of de matrijzen.
Uit EP-B-0084135 is het bekend om materiaal bestaande uit een thermoplast en vezelig versterkingsmateriaal drukloos te verwarmen voordat het in een pers wordt gebracht. In dat geval vindt het opwarmen plaats in een oven. Het vezelig versterkingsmateriaal wordt in een oven echter niet goed benat. De volledige impregnering moet volgens EP-B-0084135 vervolgens binnen enkele seconden plaats vinden in een pers met een temperatuur onder het stolpunt van de thermoplast. Echter, enkel bij zeer laag visceuze thermoplasten kan met de werkwijze volgens EP-B-0084135 volledige impregnering van het vezelig materiaal optreden. In het geval van hoger visceuze thermoplasten zal het vezelig versterkingsmateriaal niet goed geimpregneerd worden waardoor het eindprodukt geen goede eigenschappen vertoont.
Met de werkwijze volgens de uitvinding worden onafhankelijk van de gebruikte thermoplast goede resultaten verkregen omdat door toepassing van druk tijdens de verwarming volledige impregnering optreedt op binnen zeer korte tijd.
De eerste matrijs wordt bij voorkeur op een nagenoeg constante temperatuur gehouden. Deze temperatuur ligt boven de smelttemperatuur van het thermoplastisch materiaal. Het op temperatuur houden van de matrijs kan op reeds bekende wijze plaatsvinden, bijvoorbeeld met in de
<Desc/Clms Page number 3>
matrijs aangebrachte verwarmingspijpen of door electrische leidingen. De temperatuur kan bijvoorbeeld geregeld worden met behulp van een thermostaat.
De temperatuur ligt tussen de smelttemperatuur van de thermoplast en de temperatuur waarbij de thermoplast degradeert, dit is uiteraard afhankelijk van de thermoplast die wordt toegepast.
De tweede matrijs wordt bij voorkeur eveneens op een nagenoeg constante temperatuur gehouden. De temperatuur ligt beneden de smelttemperatuur van het thermoplastisch materiaal. Dit kan volgens dezelfde wijze als hierboven omschreven voor de eerste matrijs. De tweede matrijs zal gewoonlijk gekoeld dienen te worden omdat deze door herhaald gebruik op zal warmen. De temperatuur ligt in de regel tussen kamertemperatuur en 120 C, maar erg kritisch is dit veelal niet.
Bij voorkeur hebben de eerste en tweede matrijs een warmtecapaciteit die groot is ten opzichte van de warmtecapaciteit van een te verwerken hoeveelheid materiaal.
Bij voorkeur wordt bij de werkwijze volgens de uitvinding tevens gebruik gemaakt van een hulpmatrijs waarin het vezelversterkt thermoplastisch materiaal wordt gebracht.
Dit heeft als voordeel dat het in de eerste matrijs gesmolten thermoplastisch materiaal beter hanteerbaar wordt. Het vezelversterkte thermoplastische materiaal kan dan samen met de hulpmatrijs naar de tweede matrijs worden overgebracht.
De hulpmatrijs bestaat bij voorkeur uit een goed warmte geleidende stof van geringe dikte, die onder verwerkingscondities nagenoeg inert is, zoals metaal of een hoog metaal-gevulde kunststof. Het metaal kan bijvoorbeeld aluminium of ijzer zijn, de kunststof een hoog smeltend thermoplastisch polymeer zoals bijvoorbeeld polyimide, polyetheretherketon (PEEK), polyetherimide (PEI), of een thermohardende kunststof zoals bijvoorbeeld bismaleimide (BMI), epoxyde of dicyclopentadieen (DCPD)-gemodificeerd polyester. Het gebruik van een composiet materiaal van een
<Desc/Clms Page number 4>
kunststof met bijvoorbeeld een metaalweefsel is ook mogelijk.
Het spreekt voor zich dat de buitenvormen van de hulpmatrijs corresponderen met de binnenvormen van de matrijs. Bovendien is het mogelijk om de binnenvormen van de hulpmatrijs gedetailleerder uit te voeren dan de binnenvormen van de matrijs en dus de buitenvormen van de hulpmatrijs.
De werkwijze volgens de uitvinding kan bij verschillende verwerkingstechnieken worden toegepast, zoals persen of spuitgieten.
Bij het verwerken van het thermoplastisch vezelversterkte materiaal middels persen oefent de eerste pers een druk uit die groot genoeg is om de gesmolten thermoplast tussen de vezels te persen.
In het algemeen zal dit een druk zijn tussen 5 en 100 bar en bij voorkeur tussen 15 en 50 bar.
De perstijd in de eerste pers is in de regel minder dan 10 minuten, en meestal minder dan 5 minuten.
De tweede pers oefent over het algemeen een druk uit die groot genoeg is om eventueel nog niet of niet geheel benatte vezels te benatten en om het product in een gewenste vorm te houden. De tweede druk moet daarom tenminste zo groot zijn, dat deze voorkomt dat het materiaal dat in de eerste pers is gecomprimeerd, in de tweede pers minder compact wordt ten gevolge van het terugveren van de op elkaar gedrukte vezels.
De perstijd in de tweede pers is in de regel minder dan 4 minuten, perstijden van minder dan 2 minuten voldoen meestal ook.
De werkwijze volgens de uitvinding is in het bijzonder geschikt voor de productie van vlakke composiet platen. Deze platen kunnen vervolgens door stansen, driedimensionaal persen en vouwen, door de platen locaal te verwarmen, tot een eindproduct worden verwerkt.
Bij voorkeur wordt daarbij gebruik gemaakt van dunne metalen platen als hulpmatrijs. Deze metalen platen
<Desc/Clms Page number 5>
hebben in de regel een dikte tussen 0, 3 en 3 mm, bij voorkeur tussen 0, 5 en 2 mm.
De werkwijze volgens de uitvinding wordt bij voorkeur uitgevoerd met twee of meer persétages die boven elkaar in een perssysteem zijn ingebouwd.
Dit heeft als voordeel dat door een druk uit te oefenen alle persen tegelijk geperst kunnen worden. Dit geeft een aanzienlijke besparing van materiaal, ruimte en dus kosten. Voor massaproductie worden bij voorkeur alle persen in een eerste dergelijk perssysteem verwarmd en alle persen in een volgend systeem gekoeld.
Het is mogelijk de te persen samenstelling voor te verwarmen, waardoor de perstijd in de eerste pers verkort kan worden.
EMI5.1
De thermoplast kan gekozen worden uit alle mogelijke thermoplastische (copolymeren zoals polyamides D (PA), zoals nylon-6, nylon-6. nylon-8, nylon-6. nylon-12 etc., polyolefinen, zoals polypropeen (PP), polyetheen (PE), polytetrafluorethyleen (PTFE), polyphenyleenether (PPE of PPO), etc., amorfe en/of kristallijne polyesters zoals polyalkyleentereftalaten, zoals polyetheen tereftalaat (PETP of PET), polybuteen tereftalaat (PBT), etc., of polyimides (PI) zoals polyetherimide (PEI), polyamideimide (PAI), of polymethyl (meth) acrylaat (PMMA), polyethermethacrylaat (PEMA).
Verder kunnen polyphenyleensulfide (PPS), polyvinylen zoals polyvinylalcohol (PVA), polyvinylacetaat (PVAc), ethyleenvinylacetaat (EVA), polyvinylchloride (PVC), polyvinylideenchloride (PVDC), copolymeren van vinylchloride en vinylideenchloride of polyvinylideenfluoride (PVDF of PVF2), polyethyleenglycol (PETG), styreenhoudende copolymeren zoals polystyreen (PS), polymonochloorstyreen of styreenacrylonitrilcopolymeren (SAN), styreen maleinezuuranhydride (SMA), polyacrylonitril (PAN), polyaryleensulfide keton, polyoxymethyleen (POM), polycarbonaat (PC), polyethers (PEth), polyetherketon (PEK), polyacetalen, polyacrylzuur, polyurethanen (PUR), polyarylzuur (PAA),
<Desc/Clms Page number 6>
celluloseesters, polybenzimidazole (PBI), ook blends van genoemde stoffen kunnen worden toegepast.
Bij voorkeur wordt PET, PC of nylon-4, 6 toegepast.
De thermoplast kan toegepast worden in iedere willekeurige vorm, zoals een folie, poeder, korrels, vezels, weefsels en dergelijke. Afhankelijk van de eisen die aan het eindproduct gesteld worden zal voor een of voor een combinatie van de vormen van thermoplast gekozen worden.
Het is mogelijk dat aan de thermoplast een vernetter wordt toegevoegd of een hoeveelheid van een thermohardbaar of thermogehard materiaal. De thermoplast kan verder de gebruikelijke toevoegingen bevatten, zoals stabilisatoren, lossingsmiddelen, pigmenten, vulstoffen etc. De lossingsmiddelen kunnen ook in of op de eerste en tweede pers worden aangebracht, bijvoorbeeld in. folie-vorm.
Het vezelig versterkingsmateriaal kan bestaan uit ieder mogelijk materiaal en kan uitgevoerd zijn in ieder mogelijke vorm. Voorbeelden van vezelmateriaal zijn glas, koolstof, normaal of in de vorm van zogenaamde'whiskers'
EMI6.1
R (HyperionR), aramide, siliciumcarbide, aluminiumoxide, asbest, keramiek, grafiet, metaal of een kunststof, bijvoorbeeld gekozen uit de groep bestaande uit de hierboven genoemde thermoplasten, of combinaties daarvan.
Indien een kunststofvezel als versterkingsvezel wordt toegepast, wordt de kunststof bij voorkeur zo gekozen, dat deze bij de smelttemperatuur van de thermoplast niet smelt of degradeert.
Bij voorkeur bestaat het vezelmateriaal uit glas, koolstof, aramide of polyetheen.
De vorm van het vezelig versterkingsmateriaal kan bijvoorbeeld zijn een mat, vlies, weefsel, vlechtsel of breisel, unidirectionele vezels of ad random gestrooide vezels en de vezels kunnen kort of lang zijn.
Het is eveneens mogelijk mengsels van vezelmaterialen of vormen toe te passen.
Bij voorkeur worden weefsels met overwegend continue vezels toegepast.
<Desc/Clms Page number 7>
Volgens een eerste voorkeur wordt het materiaal bestaande uit thermoplast en vezelig versterkingsmateriaal toegepast in de vorm van gestapelde thermoplastische folies afgewisseld met vlakke vezelstructuren zoals weefsels of matten.
De folies kunnen vervangen worden door granulaat, schilfers, "chips" of "flakes" die in de matrijs en/of op het weefsel gestrooid kunnen worden. Hiervoor is ook "recycled" materiaal te gebruiken.
Volgens een tweede voorkeur wordt het materiaal bestaande uit thermoplast en vezelig versterkingsmateriaal toegepast in de vorm van een zogenaamd hybride weefsel. Een hybride weefsel is een weefsel waarin versterkingsvezels en thermoplastische vezels door elkaar heen zijn verwerkt, zie ook het Europees octrooischrift EP-A-0417827.
Voordeel van een dergelijk weefsel is dat versterkingsvezel en thermoplastvezel al voor het smelten intensief met elkaar vermengd zijn en dat daardoor de benatting van de versterkingsvezel door de gesmolten thermoplast snel en bij relatief lage druk zal verlopen.
Volgens een derde voorkeur wordt het vezelversterkt thermoplastisch materiaal toegepast in de vorm van een vezelmat of weefsel, waar de thermoplast in poedervorm op is aangebracht. Een dergelijke mat of weefsel kan bijvoorbeeld verkregen worden door een mat of weefsel onder te dompelen in een dispersie van een thermoplastisch polymeer en vervolgens te drogen. Een dergelijke mat of weefsel kan ook verkregen worden door een vezel te impregneren met een dergelijke dispersie of anderszins, en er dan vervolgens een mat of weefsel van te maken. Het is verder mogelijk een dergelijke mat of weefsel te verkrijgen door het weefsel of de vezels in contact te brengen met droog poeder, bijvoorbeeld in een wervelbed. Dit zijn allemaal gangbare technieken en zij maken dan ook geen deel uit van de uitvinding.
Een voordeel van genoemd hybride weefsel en van genoemd bepoederd weefsel of mat is dat de mat en het
<Desc/Clms Page number 8>
weefsel makkelijk drapeerbaar zijn en dat het daardoor eenvoudig is om een pers of mal met een dergelijke mat of een dergelijk weefsel te vullen.
Natuurlijk kunnen ook combinaties van genoemde materiaaltypen worden toegepast. Ook kunnen diverse typen thermoplasten en diverse typen vezelig versterkingsmateriaal in combinatie toegepast worden.
Het volumepercentage vezelig versterkingsmateriaal bedraagt in de regel 20-80%, bij voorkeur 35-60%.
De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van de volgende voorbeelden, zonder daartoe beperkt te worden.
Voorbeeld I
Op een 2 mm dikke chroom-nikkel plaat werd een lossingsfolie, bestaande uit met TeflonR gecoat. glasdoek HK 5310 van de firma Norton Pampus Fluorplast gelegd.
Hierbovenop werd een stapel gelegd bestaande uit 4 lagen glasweefsel (InterglasR 92626) afgewisseld met 2 lagen PET-folies van Retech met een dikte van 0, 3 mm. Op de stapel werd wederom een lossingsfolie gelegd en daarop weer een chroom-nikkel plaat. Dit pakket werd 1 uur gedroogd bij
EMI8.1
150oCo Het pakket werd in een laboratorium pers met een temperatuur van 320'C De pers oefende een druk uit van 24 bar gedurende 60 sec. Hierna werd het pakket overgebracht naar een laboratoriumpers met een temperatuur rond kamertemperatuur. Deze tweede pers oefende een druk uit van 24 bar gedurende 1 minuut.
Aan de verkregen vezelversterkte thermoplastische plaat werd de treksterkte gemeten volgens ASTM-D3039-76. De impregnering werd op het oog beoordeeld. De resultaten staan in tabel 1.
Voorbeeld II tot en met XXVII
De werkwijze van voorbeeld I werd gevolgd waarbij de temperatuur van de eerste pers, de tijd in de eerste pers, het aantal lagen glas en/of het aantal lagen PET werden gevarieerd. De omstandigheden en de resultaten staan
<Desc/Clms Page number 9>
eveneens in tabel 1. Van de geproduceerde platen waarin 6 lagen verwerkt werden, werd de treksterkte bepaald. Van de platen waarin 9 lagen verwerkt werden, werd de buigsterkte bepaald volgens ASTM D790 M-82. Van de platen waarin 18 lagen werden verwerkt werd de ILSS bepaald volgens ASTM D2344-76.
<Desc/Clms Page number 10>
EMI10.1
<tb>
<tb>
Vb. <SEP> Temp. <SEP> Tijd <SEP> Aantal <SEP> Aantal <SEP> Temp. <SEP> Impregneringskwaliteit <SEP> Mechanisch
<tb> eerste <SEP> eerste <SEP> lagen <SEP> lagen <SEP> max. <SEP> Test
<tb> pers <SEP> pers <SEP> glas <SEP> PET <SEP> produkt <SEP> resultaat
<tb> ( C) <SEP> (s) <SEP> weefsel <SEP> ( C) <SEP> (MPa)
<tb> ------------------------------------------------------------------------------------I <SEP> 320 <SEP> 60 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 310 <SEP> midden <SEP> redelijk, <SEP> randj <SEP> matig <SEP> (1) <SEP> 299
<tb> 11 <SEP> 320 <SEP> 90 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 324 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (1) <SEP> 319
<tb> III <SEP> 320 <SEP> 120 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 324 <SEP> gehele <SEP> plaat <SEP> goed <SEP> (1) <SEP> 317
<tb> IV <SEP> 330 <SEP> 60 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 334 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> hoek <SEP> redelijk <SEP> (1)
<SEP> 315
<tb> V <SEP> 330 <SEP> 90 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 335 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> hoek <SEP> redelijk <SEP> (1) <SEP> 290
<tb> VI <SEP> 330 <SEP> 120 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 334 <SEP> gehele <SEP> plaat <SEP> goed <SEP> (1) <SEP> 293
<tb> VII <SEP> 340 <SEP> 45 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 331 <SEP> midden <SEP> redelijk, <SEP> rand <SEP> matig <SEP> (1) <SEP> 292
<tb> VIII <SEP> 340 <SEP> 60 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 334 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (1) <SEP> 292
<tb> IX <SEP> 340 <SEP> 90 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 338 <SEP> gehele <SEP> plaat <SEP> goed <SEP> (1) <SEP> 291
<tb> X <SEP> 320 <SEP> 60 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 324 <SEP> gehele <SEP> plaat <SEP> matig <SEP> (2) <SEP> 478
<tb> XI <SEP> 320 <SEP> 90 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 324 <SEP> midden <SEP> redelijk, <SEP> hoek <SEP> matig <SEP> (2)
<SEP> 521
<tb> XII <SEP> 320 <SEP> 120 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 325 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> hoek <SEP> redelijk <SEP> (2) <SEP> 511
<tb> XIII <SEP> 330 <SEP> 60 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 327 <SEP> midden <SEP> redelijk <SEP> rand <SEP> matig <SEP> (2) <SEP> 505
<tb> XIV <SEP> 330 <SEP> 90 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 338 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (2) <SEP> 515
<tb> XV <SEP> 330 <SEP> 120 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 339 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (2) <SEP> 516
<tb> XVI <SEP> 340 <SEP> 45 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 332 <SEP> midden <SEP> redelijk, <SEP> rand <SEP> matig <SEP> (2) <SEP> 475
<tb> XVII <SEP> 340 <SEP> 60 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 331 <SEP> midden <SEP> goed <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (2) <SEP> 495
<tb> XVIII <SEP> 340 <SEP> 90 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 345 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> hoek <SEP> redelijk <SEP> (2)
<SEP> 495
<tb> XIX <SEP> 320 <SEP> 90 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 315 <SEP> midden <SEP> redelijk, <SEP> hoek <SEP> matig <SEP> (3) <SEP> 44
<tb> XX <SEP> 320 <SEP> 120 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 320 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (3) <SEP> 45
<tb> XXI <SEP> 330 <SEP> 150 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 312 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (3) <SEP> 43
<tb> XXII <SEP> 330 <SEP> 60 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 325 <SEP> gehele <SEP> plaat <SEP> matig <SEP> (3) <SEP> 44
<tb> XXIII <SEP> 330 <SEP> 90 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 333 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> hoek <SEP> redelijk <SEP> (3) <SEP> 43
<tb> XXIV <SEP> 330 <SEP> 120 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 338 <SEP> gehele <SEP> plaat <SEP> goed <SEP> (3) <SEP> 45
<tb> XXV <SEP> 340 <SEP> 60 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 342 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> rand <SEP> redelijk <SEP> (3)
<SEP> 44
<tb> XXVI <SEP> 340 <SEP> 90 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 343 <SEP> midden <SEP> goed, <SEP> hoek <SEP> redelijk <SEP> (3) <SEP> 46
<tb> XXVII <SEP> 340 <SEP> 120 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 342 <SEP> gehele <SEP> plaat <SEP> goed <SEP> (3) <SEP> 45
<tb> (1) <SEP> treksterkte
<tb> (2) <SEP> buigsterkte
<tb> (3) <SEP> ILSS
<tb>
<Desc/Clms Page number 11>
Uit tabel l valt te concluderen dat de perscondities weinig invloed uitoefenen op de mechanische eigenschappen van de platen. Dit heeft als voordeel dat de omstandigheden voor de werkwijze niet erg kritisch zijn en de werkwijze dus voor massaproductie kan worden toegepast.
Uit voorbeelden VII-IX, XVI-XVIII en XXV-XXVII blijkt dat perstemperaturen van 3400C toegepast kunnen worden. Voor het toegepaste PET is dat een nogal hoge temperatuur, maar de mechanische eigenschappen zijn niet significant verslechterd, waarschijnlijk door de korte cyclustijd. Dergelijke hoge temperaturen hebben als voordeel dat de cyclustijd verkort kan worden.
Verder valt uit deze voorbeelden te concluderen dat het mogelijk is producten te maken met goede eigenschappen in een korte cyclustijd.
<Desc / Clms Page number 1>
METHOD FOR PROCESSING A MATERIAL INCLUDING
THERMOPLASTIC POLYMER AND FIBER REINFORCEMENT MATERIAL
The invention relates to a method for processing a material comprising thermoplastic polymer and fibrous reinforcing material into a molded product using a mold.
Such a method is called a. Thermoforming. It is well known to introduce an amount of fiber and an amount of thermoplastic polymer into a mold and heat it under pressure, the thermoplastic polymer melting and wetting the fibers. When all the polymer has melted and the fibers are well wet, the mold is cooled in the press to below the melting point of the polymer, so that the product consolidates. The product is taken out and the press can be used again for another cycle, see also "Kunststof & Rubber, 1991, no. 1, pp. 15-19".
The drawback of such a method is that it takes quite some time to heat up and cool the mold again in the press. This is a drawback for mass production.
In addition, a complicated heating and cooling device is required while the process also consumes a lot of energy.
The object of the invention is to provide a method which does not have the said drawbacks.
This is achieved according to the invention in that the material consisting of thermoplastic polymer and fibrous reinforcement material is heated under pressure in a first mold and cooled under pressure in a second mold.
This ensures that the first mold is used only once, when starting a production series,
<Desc / Clms Page number 2>
need to be brought to the desired temperature and then kept at that temperature. The second mold also only has to be brought to the desired temperature once, of course, apart from the effects of heat exchange with the material consisting of thermoplastic polymer and fibrous reinforcement material.
The amount of energy required for heating and cooling is now determined only by the specific heat and weight of the material consisting of thermoplastic polymer, hereinafter referred to simply as thermoplastic, and fibrous reinforcement material and no longer by the heat capacity of the mold or molds.
It is known from EP-B-0084135 to pressurize material consisting of a thermoplastic and fibrous reinforcement material before it is placed in a press. In that case, heating takes place in an oven. However, the fibrous reinforcement material is not properly wetted in an oven. According to EP-B-0084135, the complete impregnation must then take place within a few seconds in a press with a temperature below the freezing point of the thermoplastic. However, only impregnation of the fibrous material can occur with very low viscous thermoplastics with the method according to EP-B-0084135. In the case of highly viscous thermoplastics, the fibrous reinforcement material will not be properly impregnated, so that the final product will not exhibit good properties.
Regardless of the thermoplastic used, good results are obtained with the method according to the invention because, by applying pressure during heating, complete impregnation occurs within a very short time.
The first mold is preferably kept at a substantially constant temperature. This temperature is above the melting temperature of the thermoplastic material. Maintaining the mold at temperature can take place in a manner already known, for example with in the
<Desc / Clms Page number 3>
heating pipes molded or by electric lines. For example, the temperature can be controlled using a thermostat.
The temperature lies between the melting temperature of the thermoplastic and the temperature at which the thermoplastic degrades, this of course depends on the thermoplastic that is used.
The second mold is preferably also kept at a substantially constant temperature. The temperature is below the melting temperature of the thermoplastic material. This can be done in the same manner as described above for the first mold. The second die will usually need to be cooled because it will heat up through repeated use. The temperature is usually between room temperature and 120 ° C, but this is often not very critical.
Preferably, the first and second mold have a heat capacity which is large relative to the heat capacity of an amount of material to be processed.
Preferably, the method according to the invention also uses an auxiliary mold into which the fiber-reinforced thermoplastic material is introduced.
This has the advantage that the thermoplastic material melted in the first mold becomes more manageable. The fiber-reinforced thermoplastic material can then be transferred together with the auxiliary die to the second die.
The auxiliary mold preferably consists of a good heat-conducting material of small thickness, which is practically inert under processing conditions, such as metal or a high metal-filled plastic. The metal can be, for example, aluminum or iron, the plastic a high-melting thermoplastic polymer such as, for example, polyimide, polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), or a thermosetting plastic such as, for example, bismaleimide (BMI), epoxide or dicyclopentadiene (DCPD) -modified polyester . Using a composite material of one
<Desc / Clms Page number 4>
plastic with, for example, a metal fabric is also possible.
It goes without saying that the outer shapes of the auxiliary mold correspond to the inner shapes of the mold. In addition, it is possible to design the inner molds of the auxiliary mold in more detail than the inner molds and thus the outer molds of the auxiliary mold.
The method according to the invention can be used in various processing techniques, such as pressing or injection molding.
When processing the thermoplastic fiber-reinforced material by pressing, the first press exerts a pressure large enough to press the molten thermoplastic between the fibers.
In general this will be a pressure between 5 and 100 bar and preferably between 15 and 50 bar.
The pressing time in the first press is usually less than 10 minutes, and usually less than 5 minutes.
The second press generally exerts a pressure large enough to wet any fibers that have not yet been fully wetted and to keep the product in a desired shape. The second pressure must therefore be at least so great that it prevents the material compressed in the first press from becoming less compact in the second press as a result of the springs being compressed back together.
The press time in the second press is usually less than 4 minutes, press times of less than 2 minutes are usually sufficient.
The method according to the invention is particularly suitable for the production of flat composite plates. These plates can then be processed into a final product by punching, three-dimensional pressing and folding, by locally heating the plates.
Preferably, thin metal plates are used as an auxiliary mold. These metal plates
<Desc / Clms Page number 5>
usually have a thickness between 0.3 and 3 mm, preferably between 0.5 and 2 mm.
The method according to the invention is preferably carried out with two or more press levels that are built one above the other in a press system.
This has the advantage that by applying a pressure all presses can be pressed simultaneously. This gives a considerable saving of material, space and therefore costs. For mass production, preferably all presses in a first such press system are heated and all presses in a subsequent system are cooled.
It is possible to preheat the composition to be pressed, so that the pressing time in the first press can be shortened.
EMI5.1
The thermoplastic can be selected from all possible thermoplastic (copolymers such as polyamides D (PA), such as nylon-6, nylon-6. Nylon-8, nylon-6. Nylon-12 etc., polyolefins, such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenylene ether (PPE or PPO), etc., amorphous and / or crystalline polyesters such as polyalkylene terephthalates, such as polyethylene terephthalate (PETP or PET), polybutene terephthalate (PBT), etc., or polyimides (PI ) such as polyetherimide (PEI), polyamideimide (PAI), or polymethyl (meth) acrylate (PMMA), polyether methacrylate (PEMA).
Furthermore, polyphenylene sulfide (PPS), polyvinyls such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl acetate (PVAc), ethylene vinyl acetate (EVA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride (PVDC), copolymers of vinyl chloride and vinylidene chloride, or polyvinylidene fluoride (PVD) polyethylene fluoride (PVD) ), styrene-containing copolymers such as polystyrene (PS), polymonochlorostyrene or styrene-acrylonitrile copolymers (SAN), styrene maleic anhydride (SMA), polyacrylonitrile (PAN), polyarylene sulfide ketone, polyoxymethylene (POM), polycarbonate (PC), polyethers (PEth)) , polyacetals, polyacrylic acid, polyurethanes (PUR), polyarylic acid (PAA),
<Desc / Clms Page number 6>
cellulose esters, polybenzimidazole (PBI), also blends of said substances can be used.
PET, PC or nylon-4, 6 is preferably used.
The thermoplastic can be used in any form, such as a foil, powder, granules, fibers, fabrics and the like. Depending on the requirements of the end product, one or a combination of the forms of thermoplastic will be chosen.
It is possible that a crosslinker or an amount of a thermosetting or thermosetting material is added to the thermoplastic. The thermoplastic can further contain the usual additives, such as stabilizers, release agents, pigments, fillers, etc. The release agents can also be applied in or on the first and second press, for example in. foil shape.
The fibrous reinforcement material can consist of any possible material and can be made in any possible shape. Examples of fiber material are glass, carbon, normal or in the form of so-called 'whiskers'
EMI6.1
R (HyperionR), aramid, silicon carbide, alumina, asbestos, ceramic, graphite, metal or a plastic, for example selected from the group consisting of the above-mentioned thermoplastics, or combinations thereof.
If a plastic fiber is used as a reinforcing fiber, the plastic is preferably chosen such that it does not melt or degrade at the melting temperature of the thermoplastic.
The fiber material preferably consists of glass, carbon, aramid or polyethylene.
The shape of the fibrous reinforcement material may be, for example, a mat, fleece, fabric, braid or knit, unidirectional fibers or randomly spread fibers, and the fibers may be short or long.
It is also possible to use mixtures of fiber materials or shapes.
Fabrics with predominantly continuous fibers are preferably used.
<Desc / Clms Page number 7>
According to a first preference, the material consisting of thermoplastic and fibrous reinforcement material is used in the form of stacked thermoplastic films alternating with flat fiber structures such as fabrics or mats.
The films can be replaced by granulate, chips, "chips" or "flakes" that can be sprinkled in the mold and / or on the fabric. For this, "recycled" material can also be used.
According to a second preference, the material consisting of thermoplastic and fibrous reinforcement material is used in the form of a so-called hybrid fabric. A hybrid fabric is a fabric in which reinforcement fibers and thermoplastic fibers are mixed together, see also European patent EP-A-0417827.
The advantage of such a fabric is that reinforcing fiber and thermoplastic fiber are intensively mixed together before melting, and that the wetting of the reinforcing fiber by the molten thermoplastic will therefore proceed quickly and at relatively low pressure.
According to a third preference, the fiber-reinforced thermoplastic material is used in the form of a fiber mat or fabric on which the thermoplastic powder is applied. Such a mat or fabric can be obtained, for example, by immersing a mat or fabric in a dispersion of a thermoplastic polymer and then drying it. Such a mat or fabric can also be obtained by impregnating a fiber with such a dispersion or otherwise, and then making it into a mat or fabric. It is further possible to obtain such a mat or fabric by contacting the fabric or fibers with dry powder, for example in a fluidized bed. These are all common techniques and are therefore not part of the invention.
An advantage of said hybrid fabric and of said powdered fabric or mat is that the mat and the
<Desc / Clms Page number 8>
fabric are easy to drape and that it is therefore easy to fill a press or mold with such a mat or such fabric.
Of course, combinations of the material types mentioned can also be used. Various types of thermoplastics and various types of fibrous reinforcement material can also be used in combination.
The volume percentage of fibrous reinforcement material is generally 20-80%, preferably 35-60%.
The invention will be elucidated by means of the following examples, without being limited thereto.
Example I
A release foil consisting of TeflonR was coated on a 2 mm thick chrome-nickel plate. glass cloth HK 5310 of the company Norton Pampus Fluorplast.
On top of this, a stack consisting of 4 layers of glass fabric (InterglasR 92626) was alternated with 2 layers of PET films from Retech with a thickness of 0.3 mm. A release foil was again placed on the stack and a chrome-nickel plate on top. This package was dried at 1 hour
EMI8.1
150oCo The package was pressed in a laboratory press at a temperature of 320 ° C. The press exerted a pressure of 24 bar for 60 sec. The package was then transferred to a laboratory press at a temperature around room temperature. This second press exerted a pressure of 24 bar for 1 minute.
The tensile strength of the fiber-reinforced thermoplastic sheet obtained was measured according to ASTM-D3039-76. The impregnation was evaluated visually. The results are shown in Table 1.
Examples II to XXVII
The procedure of Example I was followed varying the temperature of the first press, the time in the first press, the number of layers of glass and / or the number of layers of PET. The conditions and results are there
<Desc / Clms Page number 9>
also in table 1. The tensile strength of the produced plates in which 6 layers were processed was determined. The flexural strength of the plates in which 9 layers were processed was determined according to ASTM D790 M-82. The ILSS of the plates in which 18 layers were processed was determined according to ASTM D2344-76.
<Desc / Clms Page number 10>
EMI10.1
<tb>
<tb>
Ex. <SEP> Temp. <SEP> Time <SEP> Quantity <SEP> Quantity <SEP> Temp. <SEP> Impregnation quality <SEP> Mechanical
<tb> first <SEP> first <SEP> layers <SEP> layers <SEP> max. <SEP> Test
<tb> press <SEP> press <SEP> glass <SEP> PET <SEP> product <SEP> result
<tb> (C) <SEP> (s) <SEP> fabric <SEP> (C) <SEP> (MPa)
<tb> ----------------------------------------------- ------------------------------------- I <SEP> 320 <SEP> 60 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 310 <SEP> middle <SEP> reasonable, <SEP> randj <SEP> moderate <SEP> (1) <SEP> 299
<tb> 11 <SEP> 320 <SEP> 90 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 324 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (1) <SEP> 319
<tb> III <SEP> 320 <SEP> 120 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 324 <SEP> whole <SEP> plate <SEP> good <SEP> (1) <SEP> 317
<tb> IV <SEP> 330 <SEP> 60 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 334 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> angle <SEP> reasonable <SEP> (1)
<SEP> 315
<tb> V <SEP> 330 <SEP> 90 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 335 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> angle <SEP> reasonable <SEP> (1) <SEP> 290
<tb> VI <SEP> 330 <SEP> 120 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 334 <SEP> whole <SEP> plate <SEP> good <SEP> (1) <SEP> 293
<tb> VII <SEP> 340 <SEP> 45 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 331 <SEP> middle <SEP> reasonable, <SEP> edge <SEP> moderate <SEP> (1) <SEP> 292
<tb> VIII <SEP> 340 <SEP> 60 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 334 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (1) <SEP> 292
<tb> IX <SEP> 340 <SEP> 90 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 338 <SEP> whole <SEP> plate <SEP> good <SEP> (1) <SEP> 291
<tb> X <SEP> 320 <SEP> 60 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 324 <SEP> whole <SEP> plate <SEP> moderate <SEP> (2) <SEP> 478
<tb> XI <SEP> 320 <SEP> 90 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 324 <SEP> middle <SEP> reasonable, <SEP> angle <SEP> moderate <SEP> (2)
<SEP> 521
<tb> XII <SEP> 320 <SEP> 120 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 325 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> angle <SEP> reasonable <SEP> (2) <SEP> 511
<tb> XIII <SEP> 330 <SEP> 60 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 327 <SEP> middle <SEP> reasonable <SEP> edge <SEP> moderate <SEP> (2) <SEP> 505
<tb> XIV <SEP> 330 <SEP> 90 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 338 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (2) <SEP> 515
<tb> XV <SEP> 330 <SEP> 120 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 339 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (2) <SEP> 516
<tb> XVI <SEP> 340 <SEP> 45 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 332 <SEP> middle <SEP> reasonable, <SEP> edge <SEP> moderate <SEP> (2) <SEP> 475
<tb> XVII <SEP> 340 <SEP> 60 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 331 <SEP> middle <SEP> good <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (2) <SEP> 495
<tb> XVIII <SEP> 340 <SEP> 90 <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 345 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> angle <SEP> reasonable <SEP> (2)
<SEP> 495
<tb> XIX <SEP> 320 <SEP> 90 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 315 <SEP> middle <SEP> reasonable, <SEP> angle <SEP> moderate <SEP> (3) <SEP> 44
<tb> XX <SEP> 320 <SEP> 120 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 320 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (3) <SEP> 45
<tb> XXI <SEP> 330 <SEP> 150 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 312 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (3) <SEP> 43
<tb> XXII <SEP> 330 <SEP> 60 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 325 <SEP> whole <SEP> plate <SEP> moderate <SEP> (3) <SEP> 44
<tb> XXIII <SEP> 330 <SEP> 90 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 333 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> angle <SEP> reasonable <SEP> (3) <SEP> 43
<tb> XXIV <SEP> 330 <SEP> 120 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 338 <SEP> whole <SEP> plate <SEP> good <SEP> (3) <SEP> 45
<tb> XXV <SEP> 340 <SEP> 60 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 342 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> edge <SEP> reasonable <SEP> (3)
<SEP> 44
<tb> XXVI <SEP> 340 <SEP> 90 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 343 <SEP> middle <SEP> good, <SEP> angle <SEP> reasonable <SEP> (3) <SEP> 46
<tb> XXVII <SEP> 340 <SEP> 120 <SEP> 12 <SEP> 6 <SEP> 342 <SEP> whole <SEP> plate <SEP> good <SEP> (3) <SEP> 45
<tb> (1) <SEP> tensile strength
<tb> (2) <SEP> flexural strength
<tb> (3) <SEP> ILSS
<tb>
<Desc / Clms Page number 11>
It can be concluded from table 1 that the pressing conditions have little influence on the mechanical properties of the plates. This has the advantage that the conditions for the process are not very critical and the process can thus be used for mass production.
Examples VII-IX, XVI-XVIII and XXV-XXVII show that press temperatures of 3400C can be used. This is a rather high temperature for the PET used, but the mechanical properties have not deteriorated significantly, probably due to the short cycle time. The advantage of such high temperatures is that the cycle time can be shortened.
Furthermore, it can be concluded from these examples that it is possible to produce products with good properties in a short cycle time.