[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren und/oder Verzwirnen von mit Kunststoff beschichteten Multi-Filamenten gemäss Anspruch 1.
[0002] Die Multi-Filamente finden beispielsweise für die Herstellung von kalibrierten dünnen Fäden, insbesondere Sägefäden für das Zuschneiden von präzisen Werkstücken in der Elektronikindustrie, oder für die Herstellung von Tapes und Prepregs, von faserverstärkten Kunststoffgranulaten, von faserverstärkten Formteilen sowie im Strangziehen Verwendung.
[0003] Die Herstellung von mit Kunststoff beschichteten Multi-Filamenten, welche vorzugsweise aus parallel ausgerichteten Endlosfasern, aber auch in Form von Tapes oder Prepregs, bestehen, ist an sich bekannt.
Dabei werden üblicherweise Multi-Filamente, welche aus Endlosfasern bestehen, mit einem Kunststoff, oder einem Gemisch von Kunststoffen, welche diverse Zusatzstoffe enthalten können, beschichtet und in weiteren Verarbeitungsstufen, je nach Verwendungszweck, zu Fäden, zu Granulaten, zu faserverstärkten Formteilen oder zu pultrudierten oder extrudierten Profilen verarbeitet.
[0004] So ist es bekannt, im Schmelzbeschichtungsverfahren zu beschichtende Multi-Filamente durch die Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs zu führen, anschliessend abkühlen zu lassen, und dann weiterzuverarbeiten.
In der praktischen Anwendung dieses Verfahrens, insbesondere bei hohem Faseranteil und zunehmender Faserlänge, werden aber eine hohe Streuung der Festigkeitswerte und zahlreiche örtliche Schwachstellen am Formteil festgestellt. Ähnlich verhält es sich in der Anwendung von Nassbeschichtungsverfahren, d.h. eines flüssigen Imprägnierbades, in welchem der Kunststoff in einem Lösungsmittel gelöst ist, wobei in diesem Fall noch die mit dem Abdampfen des Lösungsmittels verbundenen Schwierigkeiten hinzukommen.
[0005] Im Trockenbeschichtungsverfahren werden die zu beschichtenden Multi-Filamente vorzugsweise durch eine Wirbelschicht bewegt.
Diese Wirbelschicht besteht in der Regel aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet (compoundiert) sind, oder aus einem duroplastisch härtbaren Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, wobei dieses als Beschichtung auf die Multi-Filamente aufzieht. Es ist auch möglich, die einzelnen Komponenten der Beschichtung im Wirbelschichtverfahren, direkt auf die Faser in der gewünschten Zusammensetzung gleichmässig aufzubringen, wobei man gegebenenfalls die einzelnen in der Wirbelschicht sich befindenden Beschichtungskomponenten zusätzlich in der Wirbelschicht mischt, so dass eine Entmischung der einzelnen Komponenten praktisch verhindert wird.
Anschliessend werden die beschichteten Multi-Filamente vorzugsweise in einem Durchlaufofen, beispielsweise mittels IR-Strahlung, zumindest teilweise aufgeschmolzen und dann wieder abgekühlt. Derart wird eine verbesserte Verteilung des Kunststoffs auf den Fasern des Multi-Filaments erreicht. Dieses Trockenbeschichtungsverfahren hat jedoch den Nachteil, dass ein Teil des zur Beschichtung verwendeten Pulvers unmittelbar nach dem Austritt aus der Beschichtungseinheit von den Fasern des Multi-Filaments wieder abfällt, wodurch der Pulverauftrag und damit der Harzanteil und/oder der Füllstoffanteil im Endprodukt eingeschränkt wird, was die Qualität des Endprodukts beeinträchtigt.
Das Beschichtungspulver fällt aber auch noch im Durchlaufofen ab und zersetzt sich im Kontakt mit der überhitzten Ofenoberfläche, so dass Zersetzungsprodukte entstehen, welche über die Abluft in die Entlüftungsanlage und die Umwelt gelangen. Zudem gelangen diese Teilchen als Staub und als Zersetzungsprodukte auch in andere Teile der Produktionsanlage, insbesondere in die Filter der Entlüftungsanlage, und verschliessen dort die Filter der Entlüftungsanlage.
Dies wiederum führt zu Ungleichgewichten in der Betriebsführung und den Betriebsbedingungen, was die Qualität der beschichteten Multi-Filamente negativ beeinflusst.
[0006] In allen Fällen der genannten Beschichtungsverfahren ergeben sich in der praktischen Anwendung, insbesondere bei hohem Multi-Filament-Anteil, eine hohe Streuung der Festigkeitswerte und zahlreiche örtliche Schwachstellen am gebildeten Multi-Filament-Faden und damit auch am Formteil. Insbesondere ergeben sich auch örtliche Unterschiede im Faserdurchmesser, in der Rundung bzw. im Rundungsgrad der Fasern des Multi-Filaments und in deren Belegung mit Kunststoff, was in der Folge die genannten Nachteile verursacht.
Es besteht daher das Bedürfnis, diese Nachteile zu verringern oder gänzlich zu beheben.
[0007] Für die Herstellung von dünnen Multi-Filament-Fäden, insbesondere von Sägefäden für die Elektronik-Industrie zum Schneiden von präzisen Formteilen, beispielsweise von Formteilen, welche aus Siliziumkarbid bestehen, oder von Wafers, Chips und verwandten Formteilen oder in der Herstellung von Sonnenkollektoren, ist es im Weiteren nötig, dass diese Fäden sowohl möglichst dünn sowie auch sehr präzis, d.h. im gleichen Durchmesser entlang ihrer gesamten Länge, gearbeitet sind, wobei der Durchmesser dieser Fäden im Mikronbereich liegt, vorzugsweise im Bereich von 100-1000 Microm Mikron (Microm), und die Schwankungsbreite der linearen Abweichung des Durchmessers vom Sollwert innerhalb von nur wenigen Mikron liegen soll.
In diesem Sinne ist eine sehr genaue Kalibrierung der Multi-Filament-Fäden notwendig, das heisst, dass man sowohl den Durchmesser als auch die Rundung des Fadens entlang der gesamten Fadenlänge innerhalb der vorgegebenen Masse genau einstellt und kontrolliert.
[0008] Für die Beschichtung von Multi-Filamenten, insbesondere in der Pulverbeschichtung, werden vorzugsweise "lineare" Multi-Filamente verwendet, worin die Endlosfasern plan-parallel angeordnet sind, d.i. die so genannte "zero twist" Qualität.
Diese Multi-Filamente lassen sich im Beschichtungsvorgang leichter auffächern und damit gleichmässiger beschichten.
[0009] Es wurde nun gefunden, dass man dünne Multi-Filamente, welche im Durchmesser entlang ihrer gesamten Länge genau gearbeitet sind, nur eine geringe lineare Abweichung in der Durchmesserlänge und somit einen hohen Rundungsgrad aufweisen, und zudem sehr kompakt bzw. verdichtet sind, erhält, wenn man die mit Kunststoff beschichteten Endlosfasern, aus welchen das jeweilige Multi-Filament gebildet ist, oder mehrere solche Multi-Filamente im Verbund, auf welchen sich der Kunststoff in erwärmtem, geschmolzenem bzw. flüssigem Zustand befindet, anschliessend an die Beschichtung, gleichzeitig oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge, sowohl kalibriert, d.h. den Durchmesser genau einstellt, als auch einer kontinuierlichen Drehung unterwirft bzw. verzwirnt.
Vorzugsweise verwendet man hierzu eine rotierende Kalibrierdüse. Dabei werden die einzelnen Fasern des Multi-Filaments im Verfahren von der rotierenden Kalibrierdüse entlang der einzelnen Fäden rückwirkend in Richtung der Beschichtungsvorrichtung verzwirnt. Nach dem Durchlaufen der rotierenden Kalibrierdüse löst sich die Verzwirnung in hohem Masse wieder, so dass die Fasern der Multi-Filamente nach dem Durchlaufen der rotierenden Kalibrierdüse nur eine definierte Anzahl spiralförmiger Umdrehungen pro Meter aufweisen, im Wesentlichen aber linear angeordnet sind.
Solche Multi-Filament-Fäden können anschliessend beispielsweise zusätzlich mit einem geeigneten Kunststoff und gegebenenfalls mit mineralischem Korn beschichtet und anschliessend ausgehärtet werden, so dass vorzügliche Sägefäden erhalten werden, welche für die Herstellung von elektronischen Formteilen, wie Wafers, Chips und verwandte Formteile, geeignet sind. Zusätzlich ergeben sich die Vorteile, dass sich das während der Beschichtung auf das Multi-Filament aufgebrachte Material im Multi-Filament besser verteilt und beim Eintritt in den Durchlaufofen nicht mehr von der beschichteten Faser des Multi-Filaments abfällt. Durch die erfindungsgemässe Kalibrierung und Verzwirnung wird der Multi-Filament-Faden homogenisiert und verdichtet und die eingeschlossenen Gase aus dem Verbund hinausgedrängt. Es entsteht ein kalibriertes "void free tape" mit hoher Dichte.
Zudem kann der Füllstoffanteil im Beschichtungspremix deutlich erhöht werden, so dass Produkte mit geringerem Faseranteil und höherem Füllstoffanteil hergestellt werden können. Auch die Schüttdichte und die Rieselfähigkeit eines aus solchen erfindungsgemäss vedichteten Fäden hergestellten Granulats wird signifikant erhöht und die Flusenbildung bei der Granulierung erheblich vermindert.
[0010] Durch die in erfindungsgemässen Verfahren erfolgende Verzwirnung eines Multi-Filaments oder mehrerer Multi-Filamente miteinander wird deren Reissfestigkeit im Beschichtungsverfahren signifikant erhöht und kann ohne weiteres verdoppelt werden, so dass Fadenbrüche im Verfahren, insbesondere auch im Bereich zwischen der Beschichtungsvorrichtung und der Kalibrierdüse, auch bei hoher Fadenspannung weitgehendst vermieden werden.
[0011] Diese unerwarteten Vorteile erlauben es,
das gesamte Verfahren unter bedeutend erhöhter Fadenspannung durchzuführen, was wiederum eine ausgeglichenere Prozessführung und eine erhöhte Produktivität der Produktionsanlage erlaubt. Überraschenderweise bleiben in der Trockenbeschichtung als Folge der Verzwirnung auch relativ grobe Pulverpartikel mit einer Korngrösse von bis zu 800 Microm im Verbund eingeschlossen, so dass auf eine unwirtschaftliche Feinstmahlung der Polymere mit engem Korngrössenspektrum verzichtet werden kann.
[0012] Die Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von mit Kunststoff beschichteten Multi-Filamenten gemäss Anspruch 1.
Die Multi-Filamente werden derart kalibriert und einer kontinuierlichen Drehung unterworfen bzw. verzwirnt, dass die beschichteten einzelnen Fasern der Multi-Filamente im Verbund kalibriert und verzwirnt werden und einen kompakten geschlossenen Strang bilden. Dadurch entsteht ein homogenisiertes und verdichtetes Multi-Filament mit den vorgenannten Vorteilen.
[0013] Das derart behandelte Multi-Filament kann einer weiteren Beschichtung bzw. Nachbeschichtung unterzogen werden.
In diesem Sinne betrifft die Erfindung im Weiteren ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man die kalibrierten und verzwirnten Multi-Filamente in einer Nachbeschichtung zusätzlich mit Kunststoff, gegebenenfalls im Gemisch mit mineralischem Korn, vorzugsweise bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Kunststoffs, beschichtet und anschliessend aushärtet oder erstarren lässt.
[0014] Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäss kalibrierten und verzwirnten Multi-Filamente gemäss Anspruch 14.
[0015] Darin eingeschlossen sind auch Gewebe, welche aus beschichteten Multi-Filamenten gewoben und gegebenenfalls anschliessend verpresst werden. Tapes umfassen auch endlos hergestellte faserverstärkte Tapes.
Prepregs umfassen unidirektionale und gewebeverstärkte Prepregs.
[0016] Die vorliegende Erfindung betrifft auch die derart hergestellten Sägefäden, Tapes, Prepregs, faserverstärkten Kunststoffgranulate, faserverstärkten Formteile, faserverstärkten pultrudierten oder extrudierten Profile gemäss Anspruch 13.
Im Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
[0017] Die genannten beschichteten, kalibrierten und verzwirnten einzelnen Multi-Filamente können im Schmelzbeschichtungsverfahren, im Nassbeschichtungsverfahren und/oder im Trockenbeschichtungsverfahren beschichtet worden sein, vorzugsweise im Trockenbeschichtungsverfahren.
[0018] Die Kalibrierung und Verzwirnung der Multi-Filamente kann man beispielsweise so durchführen, dass man anschliessend an den Beschichtungsvorgang die beschichteten, einzelnen Endlosfasern des Multi-Filaments durch mindestens eine Kalibriervorrichtung und mindestens eine Verzwirnungsvorrichtung führt.
Vorzugsweise verwendet man eine rotierende Kalibrierdüse, wodurch diese Multi-Filamente im Verbund beim Durchlauf durch diese rotierende Kalibrierdüse gleichzeitig sowohl kalibriert als auch verzwirnt werden. Dabei rotiert die Kalibrierdüse mit so hoher Geschwindigkeit, dass die Multi-Filamente verzwirnt und auch kalibriert werden, wobei die Kalibrierung dadurch erreicht wird, dass sämtliches überschüssiges Beschichtungsmaterial, welches sich auf der Faser des Multi-Filaments befindet, weggeschleudert wird. Dabei ist der Durchmesser der Kalibrierdüse so eingestellt, dass der gewünschte Fadendurchmesser erhalten wird. Dabei wird der Multi-Filament-Faden, wie bereits erwähnt, im Verfahren von der rotierenden Kalibrierdüse jeweils entlang des Fadens rückwirkend in Richtung der Beschichtungsvorrichtung verzwirnt.
Nach dem Durchlaufen der rotierenden Kalibrierdüse löst sich die Verzwirnung in hohem Masse wieder, so dass die Fasern der Multi-Filamente nach dem Durchlaufen der rotierenden Kalibrierdüse nur eine definierte Anzahl spiralförmiger Umdrehungen pro Meter aufweisen.
[0019] Verwendet man eine rotierende Kalibrierdüse, so rotiert diese, wie erwähnt, mit mindestens einer so hohen Geschwindigkeit, dass sämtliches überschüssiges Beschichtungsmaterial, welches sich auf den Fasern des Multi-Filaments befindet, weggeschleudert wird. Dabei rotiert diese Düse, welche vorzugsweise in einer Hohlwelle angebracht bzw. fixiert ist und zusammen mit dieser Hohlwelle rotiert, mit einer geeigneten Geschwindigkeit von in der Regel mindestens 1500 Umdrehungen pro Minute (UpM), vorzugsweise mindestens 2000 UpM und vorzugsweise mit etwa 2500 UpM.
Dabei wird die, vorzugsweise aus Hartmetall gefertigte, Düse vorzugsweise auf mindestens die Schmelztemperatur der Multi-Filament-Beschichtung erwärmt, d.h. in der Regel auf mindestens etwa 100 deg. C und vorzugsweise auf etwa 150-180 deg. C. Ebenso muss die Kunststoffbeschichtung der Fasern des Multi-Filaments flüssig sein, d.h. auf eine Temperatur erwärmt sein, welche in der Regel bei mindestens 100 deg. C, und vorzugsweise bei mindestens etwa 150-200 deg. C, bzw. etwa 50 deg. C über dem Schmelzpunkt des Polymers liegt. Diese Erwärmung kann beispielsweise mittels IR-Strahlung erfolgen.
[0020] Es ist auch möglich, mehrere einzelne Kalibrier- und Verzwirnvorrichtungen, vorzugsweise mehrere rotierende Kalibrierdüsen, oder eine Kombination dieser Vorrichtungen, hintereinander in Serie zu schalten und die Multi-Filamente durch diese Vorrichtungen zu führen.
Dadurch werden die Multi-Filamente noch genauer kalibriert und höher verzwirnt.
[0021] Vorzugsweise hat die rotierende Kalibrierdüse einen inneren Durchmesser im Bereich von etwa 100-1000 Microm (Mikrometer, Mikron) vorzugsweise im Bereich von etwa 150-600 Microm und insbesondere im Bereich von etwa 200-350 Microm, beispielsweise etwa 200-240 Microm, wodurch ein erfindungsgemäss hergestellter kalibrierter und verzwirnter bzw. homogenisierter und verdichteter Multi-Filament-Faden mit einem entsprechenden Durchmesser erhalten wird.
Dabei beträgt die durchschnittliche lineare Abweichung von Sollwert des Durchmessers am gehärteten Faden in der Regel weniger als 7%, und vorzugsweise weniger als 5%, und bewegt sich ebenfalls im Mikronbereich, was einen sehr hohen Rundungsgrad ergibt.
[0022] Vorzugsweise enthält der erhaltene verzwirnte Multi-Filament-Faden nach dem Durchlaufen der Kalibrierdüse etwa 2 bis 50 spiralförmige Umdrehungen pro Meter, das heisst, die einzelnen Multi-Filamente innerhalb des erhaltenen gezwirnten Multi-Filament-Faden bilden im Faden etwa 2 bis 50 Umdrehungen pro Meter, vorzugsweise etwa 2 bis 30 spiralförmige Umdrehungen pro Meter, vorzugsweise etwa 2 bis 20 Umdrehungen pro Meter und vorzugsweise etwa 3 bis 10 Umdrehungen pro Meter.
Wurde ein Multi-Filament beschichtet, in welchem die einzelnen Endlosfasern in paralleler Form angeordnet sind, so bleibt im gezwirnten Multi-Filament die gegenseitige parallele Führung der einzelnen Fäden im Wesentlichen erhalten.
[0023] Als Multi-Filamente können erfindungsgemäss alle an sich bekannten Multi-Filamente verwendet werden, welche für die Herstellung von faserverstärkten Werkstoffen bekannt sind. Beispiele sind synthetische anorganische Fasern, insbesondere Glasfasern, C-Fasern, Kunststofffasern, insbesondere Aramidfasern (aromatisches Polyamid), Zylonfasern (PBO) 28 dtex (0.028 gr/m), oder Naturfasern, insbesondere Cellulosefasern.
Die Filamentstärke beträgt vorzugsweise etwa 5 Microm bis 20 Microm und etwa 100 tex-4800 tex (0.1 g/m-4.8 g/m), vorzugsweise 600 tex-2400 tex, wie solche üblicherweise verwendet werden.
[0024] Als Kunststoff für die Beschichtung kann man erfindungsgemäss die an sich bekannten thermoplastischen Kunststoffe (als Compound oder als Premix) und/oder duroplastischen Formmassen (vorzugsweise als Premix) verwenden. Thermoplastische Formmassen bzw. Kunststoffe und deren Zusatzstoffe sind aus der Literatur in grosser Zahl bekannt.
Synthetische thermoplastische Polymere sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, vorzugsweise Polyäthylen, insbesondere HDPE, oder Polypropylene (PP); Polykarbonate; Polyoxymethylene (POM); Polyethylenterephthalate (PET); Polybutylenterephthalate (PBT); Polyethylensulfide (PES); Polyphenylenoxide (PPO); Polyphenylensulfide (PPS); PSO; PVDS; thermoplastische Polykondensate, vorzugsweise Polyester und Polyamide, wie Polyamid 66, Polyamid 12 u.a.; Polyvinylacetate; Polystyrole; Polyacrylsäureester; Polymethacrylsäureester; Alkylen/Acrylsäure-Copolymere oder Alkylen/Methacrylsäure-Copolymere, vorzugsweise Äthylen/Acrylsäure-Copolymere; PEEK und PEK, Alkylen/Maleinanhydrid-Copolymere; oder Alkylen/Vinylalkohol-Copolymere. Bevorzugt sind HDPE, PP, Polykarbonate, POM, PET, PBT, PES, PPO, PPS, PSO, PVDS und thermoplastische Polyamide.
Bevorzugt sind synthetische Polymere mit einem Erweichungspunkt von 100 deg. C oder höher, vorzugsweise im Bereich von 140 deg. C bis 390 deg. C und besonders im Bereich von 150 deg. C bis 350 deg. C.
[0025] Duroplastische Kunststoffe in Form von Polykondensaten sind beispielsweise härtbare Phenol/Formaldehyd Kunststoffe (PF-Giessharze), härtbare Bisphenolharze, härtbare Harnstoff/-Formaldehyd-Kunststoffe (UF-Formmassen), Polyimide (PI), BMI-Formmassen und Polybenzimidazole (PBI). Duroplastische Kunststoffe in Form von Polyaddukten sind beispielsweise Epoxidharze (EP), Formmassen aus ungesättigten Polyesterharzen (UP-Formmassen), DAP-Harze (Polydiallylphthalat), MF-Formmassen, z.B. härtbare Melamin/Phenol/Formaldehyd-Formmassen oder vernetzte Polyurethane (PUR).
[0026] Als Zusätze für thermoplastische Formmassen bzw.
Kunststoffe sowie für duroplastische Kunststoffe in Form von Polykondensaten oder Polyaddukten sind beispielsweise, neben dem Harz/Härter/Beschleuniger-System für Duroplaste, Trennmittel, Gleitmittel, Füllstoffe, Pigmente, Haftvermittler, Stabilisatoren und Inhibitoren. Solche Verbindungen sind an sich bekannt, ebenso wie die für die Beschichtungen gemäss der vorliegenden Erfindung zu verwendenden bevorzugten Zusammensetzungen.
[0027] Die genannten Kunststoffe können im Schmelzverfahren bzw. direkt aus der Schmelze oder im Nassverfahren, das heisst in einem geeigneten Lösungsmittel, gelöst oder im Trockenbeschichtungsverfahren wie eingangs beschrieben als Beschichtung mit einer an sich bekannten geeigneten Apparatur auf die Multi-Filamente aufgetragen werden.
Solche Vorrichtungen und die Verfahrensbedingungen sind dem Fachmann bekannt.
[0028] Werden die behandelten, d.h. kalibrierten und verzwirnten, Multi-Filamente einer Nachbeschichtung unterzogen, so können die genannten Kunststoffe sowie die genannten Beschichtungsverfahren, je nach Eignung und Wahl, unabhängig voneinander verwendet werden. Dabei kann der Kunststoff zusätzlich im Gemisch mit mineralischen, vorzugsweise kristallinen, Verbindungen verwendet werden und als Bindemittel für die mineralischen Stoffe dienen. Eine solche Nachbeschichtung ist insbesondere für die Herstellung von Sägefäden notwendig.
Solche mineralische Stoffe sind beispielsweise anorganische Verbindungen, wie Oxide, Karbide, vorzugsweise in Pulverform, wie beispielsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, oder auch andere Stoffe grosser Härte, wie beispielsweise kristalliner Kohlenstoff, vorzugsweise Diamanten, insbesondere Industriediamanten, vorzugsweise in Form von Diamantpulver. Die Korngrösse des Pulvers liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 5 Microm-300 Microm, vorzugsweise im Bereich von etwa 10 Microm-100 Microm und insbesondere im Bereich von etwa 10 Microm-30 Microm. Bevorzugt für die Nachbeschichtung sind Kunststoffe mit einem Erweichungspunkt von 100 deg. C oder höher, vorzugsweise im Bereich von 140 deg. C bis 390 deg. C und besonders im Bereich von 150 deg. C bis 350 deg.
C, wobei dieselben Verfahrenstemperaturen zur Anwendung kommen, wie diese für die Beschichtungsvorrichtung hierin beschrieben sind.
[0029] Die im Anhang gegebene Fig. 1 illustriert ein Schema einer Vorrichtung für die erfindungsgemässe Beschichtung und Nachbeschichtung eines Multi-Filaments, enthaltend drei in Serie geschaltete rotierende Kalibrierdüsen, welche das Multi-Filament zuerst auf 300 Microm, dann auf 260 Microm, und anschliessend auf 240 Microm kalibrieren und gleichzeitig verzwirnen.
Zur Illustration ist nach dem ersten IR-Ofen eine separate Zwirnvorrichtung angebracht.
[0030] Fig. 2 zeigt eine rotierende Kalibriervorrichtung, enthaltend die rotierende Kalibrierdüse, im Querschnitt.
[0031] Fig.3 zeigt eine Zwirnvorrichtung in der Aufsicht.
[0032] Fig. 4 und Fig. 4A zeigen eine rotierende Zwirndüse mit Scherteil, bestehend aus einem Konus für den Schmelzenkegel A, der Zentrierbohrung B, der Querbohrung D, dem Flachkanal C, den Lagern E und F sowie dem Zahnkranz G. Dabei tritt das mit geschmolzenem Kunststoff beschichtete Multi-Filament durch die Zentrierbohrung B in die Zwirndüse, expandiert in der Querbohrung D und tritt durch den Flachkanal C wieder aus. Die Zwirndüse dreht bei diesem Vorgang mit 1000 bis 2500 Umdrehungen pro Minute. Durch den veränderten Querschnitt kommt es zu einem Schereffekt.
Die inneren Endlosfasern des Multi-Filaments werden dabei deutlich besser aufgeschlossen. Man erhält somit ein homogenes Multi-Filament mit gleichmässigem Harzgehalt. Dieses ist kompakter und lässt sich zu einem besseren Granulat granulieren. Die Dichte des Multi-Filaments ist höher. Das beschichtete Multi-Filament wird durch die Rotation und durch den Flachkanal bis zur Beschichtung verzwirnt, so dass das beschichtete Multi-Filament ohne Verlust an Beschichtungspartikeln den IR-Ofen passiert.
Der Zahnkranz ermöglicht es, verschiedene Zwirndüsen auf engem Raum in Linie nebeneinander anzuordnen und gegenseitig anzutreiben.
[0033] Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kalibrierdüse, analog zu der in den Fig. 4 und Fig. 4A gezeigten, wobei aber der Flachkanal B enger ist als der als Kalibrierbohrung C bezeichnete Kanal.
[0034] Die im Anhang als Fig. 1 dargestellte Vorrichtung (1) besteht aus einer Abwicklungsvorrichtung (2), der Beschichtungsvorrichtung (3), der beiden IR-Öfen (4), der Nachbeschichtungsvorrichtung (5), der in Serie geschalteten drei Kalibriervorrichtungen (6), welche jeweils eine rotierende Kalibrierdüse (7) aufweisen, der Zwirnvorrichtung (8), der Konditioniervorrichtung (9) sowie der Wickeleinheit (10). Dabei ist die erste Kalibriervorrichtung direkt nach der Beschichtungsvorrichtung (3) montiert.
Die beiden andern Kalibriervorrichtungen (6) sind anschliessend an den ersten IR-Ofen (4) angebracht. Eine Zwirnvorrichtungen (8) ist zur Illustration der zweiten Kalibriervorrichtung (6) vorgeschaltet.
[0035] Bedeutet die Beschichtungsvorrichtung (3) eine Vorrichtung für das Trockenbeschichtungsverfahren im Wirbelbett, so liegt die Korngrössenverteilung der Beschichtungskomponente oder der Beschichtungskomponenten in der Trockenbeschichtung vorzugsweise im Bereich von 30 Microm-250 Microm, vorzugsweise im Bereich von 50 Microm-300 Microm. Die durchschnittliche Korngrösse liegt zur Hauptsache vorzugsweise bei etwa 50 Microm-150 Microm.
[0036] Für die erfindungsgemässe Beschichtung von Multi-Filamenten im Trockenbeschichtungsverfahren mit einem Reaktionsharz, wie z.B. einem Epoxidharz, verwendet man vorzugsweise eine Schmelzentemperatur im Bereich von 60 deg. C-400 deg.
C, vorzugsweise 70<o>C-220 deg. C, eine Walzentemperatur von 10 deg. C-200 deg. C, vorzugsweise 20 deg. C-50 deg. C, eine Fadengeschwindigkeit von 3-200 Meter pro Minute, vorzugsweise 50-150 Meter pro Minute. Die Verarbeitungsbedingungen für die diversen Kunststoffe sind an sich bekannt und richten sich auch nach der Grösse der verwendeten Apparatur und können vom Fachmann ohne weiteres für den jeweilig verwendeten Kunststoff bzw. für das jeweilig verwendete Harz richtig angewendet werden.
[0037] Im Pulverbeschichtungsverfahren selbst werden die Multi-Filamente von einem Rovinggestell, vorzugsweise von der Aussenseite der Rolle, abgewickelt und in die Beschichtungseinheit geführt, wo sie vorzugsweise aufgefächert werden und das Wirbelschichtbad durchlaufen. Das Wirbelschichtbad umfasst im Prinzip eine Wanne und enthält die Zuführung für die Beschichtungskomponente bzw.
Beschichtungskomponenten sowie den Fluidboden, der vorzugsweise aus gesintertem Aluminium besteht und durch welchen die Zuluft zum Fluidisierbecken, das ist die Fluidisierluft zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht, eingeleitet wird. Dabei ist der Durchmesser der Perforationen im perforierten Zwischenboden (Fluidboden) kleiner als die Korngrösse des verwendeten Beschichtungspulvers bzw. der Beschichtungskomponenten oder des Granulats. Durch die Perforationen wird von unten her Luft oder ein Inertgas eingeblasen, so dass ein wallendes Pulver- oder Granulatbad bzw. eine Wirbelschicht entsteht. Im Wirbelschichtbad befinden sich auch mehrere Umlenkrollen oder Umlenkstäbe zur Auffächerung und Straffung der Fasern.
Die Beschichtungseinheit kann mit einer Einrichtung zur zusätzlichen Durchmischung der Beschichtungskomponenten, z.B. eine Mischvorrichtung für eine zusätzliche mechanische Durchmischung der Beschichtungskomponenten, versehen sein.
[0038] Die Temperatur der Zuluft zum Fluidisierbecken, das heisst die Konditionierung der Fluidisierluft, wird proportional zum Schmelzpunkt des Polymerpulvers gesteuert. Damit kann die Pulverauftragsmenge gesteuert werden. Es wird vorzugsweise ein Fluidboden aus gesintertem Aluminium verwendet. Die Konditionierung der Fluidisierluft ermöglicht es, Thermoplastpulver mit hohem Schmelzpunkt bereits während der Beschichtung bis unter die Erweichungstemperatur vorzuheizen und damit die erforderliche Aufheizzeit zu reduzieren. So kann die Produktivität bei Thermoplasten mit hohem Schmelzpunkt erheblich erhöht werden.
Die Erwärmung bei der Konditionierung darf bei Reaktivharzgemischen allerdings nur bis genügend unterhalb der Temperatur (On-Set-Temperatur) erfolgen, bei welcher der exotherme Aushärtungsvorgang dieser Harzgemische einsetzt.
[0039] Nachdem die beschichteten Multi-Filamente das Wirbelschichtbad verlassen haben, durchlaufen sie die in Fig. 2 dargestellte rotierende Kalibriervorrichtung (6), enthaltend eine aus Hartmetall gefertigte rotierende Kalibrierdüse (7), durch welche die Endlosfasern des Multi-Filaments beim Durchlauf gleichzeitig sowohl kalibriert als auch verzwirnt werden. Die Kalibrierdüse (7) ist in einer Hohlwelle fixiert und rotiert zusammen mit dieser Hohlwelle. Die rotierende Hohlwelle kann durch einen an sich bekannten Elektroantrieb angetrieben werden.
Die Kalibrierdüsen können auch in Zahnräder integriert werden, wobei die einzelnen Zahnräder in Linie ineinandereingreifen und sich antreiben.
[0040] Anschliessend an die erste Kalibriervorrichtung (6) werden die beschichteten Multi-Filamente durch einen Infrarotofen (4) bzw. einen Durchlaufofen geführt, wo sie erwärmt werden. Zu diesem Zweck enthält der Durchlaufofen vorzugsweise einen Infraroterhitzer. Dabei wird die Beschichtung leicht flüssig oder pastös, aber nicht so flüssig, dass sie von den Multi-Filament abtropfen kann. In diesem Zustand kann mittels einer Nachbeschichtung anschliessend in einer weiteren analog konstruierten Beschichtungseinrichtung (5) weiteres Beschichtungspulver oder Granulat aufgebracht werden, welches mit anorganischem Material, wie vorgehend beschrieben, gemischt sein kann.
Der beschichtete, abgekühlte Multi-Filament-Faden kann auch durch über den Schmelzpunkt erhitztes und fluidisiertes Mineral- oder Metallpulver geführt werden, wobei die Temperatur und die Verweilzeit die Schichtdicke des aufgetragenen Materials bestimmen. Anschliessend wird in einem weiteren Infrarotofen behandelt. In dieser Weise kann die gewünschte Menge Kunststoff, die auf die Fasern aufgebracht werden soll, noch ergänzt werden. Derart können Fadengewichte mit sehr niedrigem Faseranteil, beispielsweise Fäden mit nur 15 Gew.-% Faseranteil, erhalten werden. Die Nachbeschichtung kann auch als Isolation dienen.
[0041] In Fig. 3 gezeigte Zwirnvorrichtung (8), mit welcher man die beschichteten Multi-Filamente einer kontinuierlichen Drehung bzw.
Zwirnung unterwirft, jedoch nicht kalibriert, ist vorzugsweise nach dem ersten Durchlaufofen (4) im Schmelzenbereich des/der beschichteten Multi-Filamente installiert. Infolge der Fadenspannung bewirkt die Zwirnvorrichtung (8) eine Drehung des Multi-Filaments bzw. eine Zwirnung, die gleichmässig und kontinuierlich über das gesamte Multi-Filament rückwirkend bis zum Austritt des beschichteten Multi-Filaments aus der Beschichtungsvorrichtung (2) oder der Kalibrierdüse (7) stattfindet.
[0042] Vorzugsweise besteht die Zwirnungsvorrichtung, wie in Fig. 3 gezeigt, aus zwei gekühlten, mit V-Nuten versehenen Wellen, welche im Winkel von weniger als 90 deg. (<90 ), vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 5 deg. bis 20 , hintereinander angeordnet sind und die 2. Welle vorzugsweise rechtwinklig zur Laufrichtung der Multi-Filamente angeordnet ist. Die 1.
Nutwelle steht mit einem Winkel über oder unter 90 deg. zur Fadenrichtung, vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 91 deg. bzw. 89 deg. (>1 ), vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 60 deg. bis 120 . Die beschichteten Multi-Filamente laufen beispielsweise über die erste Welle und unter der zweite Welle durch, das heisst die Multi-Filamente werden über die erste Welle und anschliessend unter der zweiten Welle jeweils in deren V-Nute durchgeführt. In diesem Fall rotiert die erste Welle nach links und die zweite Welle nach rechts. Dabei ist die V-Nute der 1. Welle in der Längsachse der Multi-Filamente um mindestens 1 mm, vorzugsweise um 5 mm, seitlich versetzt, so dass die Längsachse der Multi-Filamente seitlich über die Schrägflanken der 1. Welle läuft.
Die Multi-Filamente werden durch die Winkelanordung der Wellen und durch den Versatz der Nuten an die V-Flanken gedrückt und durch die quer zur Längsachse der Multi-Filamente wirkende Komponente verdreht bzw. gezwirnt, so dass eine Rechts- bzw. Linksdrehung der Multi-Filamente resultiert. Die Anzahl der Drehungen pro Meter wird primär durch die Winkelöffnung der 1. Welle bestimmt. Die Rotation der Nutwellen wird durch die Reibung mit den beschichteten Multi-Filamenten oder zusätzlich durch Fremdantrieb erreicht. Die Anzahl der Drehungen pro Meter ist produktabhängig und wird durch Optimierung der Winkelanordnung und der Reibung des beschichteten Multi-Filaments in den V-Nuten bestimmt, was für den Fachmann kein Problem darstellt.
[0043] Die Zwirnvorrichtung ist vorzugsweise nach dem ersten oder gegebenenfalls nach einem weiteren Durchlaufofen angebracht bzw. installiert.
Die Drehung wirkt gleichmässig, wie bereits oben beschrieben, über die gesamte Länge der Multi-Filamente rückwirkend bis zu dem Ort, wo die Multi-Filamente die Beschichtungsvorrichtung, bzw. für das vorliegende Beispiel, die 1. Kalibrierdüse verlassen.
[0044] Nachdem die Multi-Filamente beschichtet, kalibriert und gezwirnt, und gegebenenfalls nachbeschichtet sind, werden diese nun durch eine Konditioniervorrichtung (9) geführt, welche aus einer Kühleinrichtung und gegebenenfalls einer Erwärmungseinrichtung besteht. Wurde als Beschichtung ein Epoxidharzgemisch aufgebracht, so werden die Multi-Filamente gegebenenfalls erneut erwärmt, wobei das Epoxidharzgemisch vorgeliert bzw. vorvernetzt, jedoch nicht ausgehärtet wird.
Die Kühlung ist vor allem auch deshalb notwendig, weil der Multi-Filament-Kunststoff-Verbund anschliessend durch ein Walzenpaar gezogen wird, welches diesen Verbund transportiert. Am Ort des Walzenpaares muss der Multi-Filament-Kunststoff-Verbund einen festen Zustand aufweisen, da sonst der Kunststoff an den Walzen des Walzenpaares haften kann, wodurch diese verschmutzt würden und unter Umständen ein zuverlässiger Transport des Multi-Filament-Kunststoff-Verbunds behindert würde. Vorzugsweise durchläuft der Multi-Filament-Kunststoff-Verbund noch eine Erwärmungseinrichtung, in welcher eventuell vorhandene Spannungen in dem Verbund abgebaut werden. Anschliessend kann das erhaltene beschichtete Multi-Filament aufgewickelt oder granuliert werden.
[0045] Verwendet man ein Pultrusionswerkzeug, so ist dieses vorzugsweise nach der Zwirnvorrichtung installiert.
Die Apparatur hat für diesen Fall vorzugsweise den folgenden Aufbau:
[0046] Spulengatter --> Beschichtungsbad --> IR-Ofen --> Kalibrier-/Zwirnvorrichtung --> Pultrusionswerkzeug --> Profilabzugwerk.
[0047] Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, umfassend mindestens eine Beschichtungsvorrichtung (3) für die Beschichtung des Multi-Filaments im Schmelzbeschichtungsverfahren oder im Nassbeschichtungsverfahren oder im Trockenbeschichtungsverfahren, mindestens einen IR-Ofen (4) als Durchlaufvorrichtung (für das Nass- und im Trockenbeschichtungsverfahren) für die Fixierung der Beschichtung, gegebenenfalls eine Nachbeschichtungsvorrichtung (5) verbunden mit einem weiteren IR-Ofen (4), und mindestens eine Konditioniervorrichtung (9),
bestehend aus einer Kühleinrichtung und gegebenenfalls einer Erwärmungseinrichtung zur abschliessenden Konditionierung des beschichteten Multi-Filaments, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich anschliessend an die Beschichtungsvorrichtung (3), jedoch vor der Konditioniervorrichtung (9) und vor einer gegebenenfalls anwesenden Nachbeschichtungsvorrichtung (5), mindestens eine Kalibriervorrichtung (6) und mindestens eine Zwirnvorrichtung (8), vorzugsweise eine Kalibriervorrichtung (6), welche gleichzeitig kalibriert und verzwirnt, installiert ist, durch welche die beschichteten einzelnen Endlosfasern des Multi-Filaments über deren gesamte Länge unmittelbar nach dem Verlassen der Beschichtungsvorrichtung (3)
kalibriert und verzwirnt werden und einen kompakten geschlossenen Faden bilden.
[0048] Die folgenden Beispiele illustrieren die Erfindung.
Beispiel 1
[0049] PBO-Multi-Filament enthaltend 160 Filamente mit einem Filamentdurchmesser von jeweils 0.005 mm, 0.012 mm und 0.014 mm (5 Microm, 12 Microm und 14 Microm) werden im Trockenbeschichtungsverfahren mit einer Matrix beschichtet, welche ein übliches Bisphenolharz und Härter (50.0% der gesamten Beschichtung) sowie übliche Trennmittel, Gleitmittel, Füllstoffe und Pigmente (50.0%), in üblicher Zusammensetzung enthält. Die Komponenten der Matrix werden in einem Mischer gemischt und haben eine Korngrössenverteilung im Bereich von 30 Microm bis 100 Microm.
Das Beschichtungsverfahren wird einer vorgehend in der Beschreibung beschriebenen Apparatur durchgeführt, wobei eine in der EP-A-0 680 813 beschriebene Beschichtungseinheit verwendet wird. Direkt nach der Beschichtungseinheit ist eine Kalibriervorrichtung, enthaltend eine in einem Hohlrohr montierte rotierende Düse zur kontinuierlichen gleichzeitigen Kalibrierung und Verzwirnung der Multi-Filamente installiert. Diese Kalibriervorrichtung entspricht der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung. Die Düse hat einen inneren Durchmesser von 300 Microm.
Eine zweite und eine dritte solche Kalibriervorrichtung mit jeweils einem Düsendurchmesser von 260 Microm und 240 Microm sind in Serie anschliessend an den IR-Durchlaufofen angebracht.
[0050] Dabei werden die Multi-Filamente von einem Rovinggestell von aussen oder von innen beginnend, vorzugsweise von aussen, abgewickelt, aufgefächert und über vier Umlenkstangen durch das Wirbelschichtbad geführt. Die beschichteten Multi-Filamente durchlaufen anschliessend eine Pulver-Kalibriervorrichtung (kann, aber muss nicht so sein), dann den Infrarotdurchlaufofen bei einer Temperatur von 180 deg. C und anschliessend die beiden in Serie geschalteten weiteren rotierenden Kalibriervorrichtungen.
Die beschichteten Multi-Filamente werden dann in der Konditioniereinheit konditioniert und gekühlt, so dass der Kunststoff fest wird.
[0051] Es wurden beschichtete Multi-Filamente mit einem Durchmesser von 240 Microm und einer Abweichung auf der Länge des Fadens von weniger als 0.5% erhalten. Es konnte praktisch keine Rauchentwicklung von zersetztem Beschichtungsmaterial im Durchlaufofen und in der Konditioniereinheit festgestellt werden. Die Fadengeschwindigkeit (Durchsatz) betrug 140 Meter pro Minute.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
[0052] Beispiel 1 wird wiederholt mit der Massgabe, dass auf die Installation der Kalibriervorrichtung verzichtet und der Multi-Filament-Faden nur verzwirnt wird.
[0053] Es wurden beschichtete Multi-Filamente mit einem Durchmesser von etwa 300 Microm und einer Abweichung auf der Länge des Fadens von 15% erhalten.
Es konnte eine Rauchentwicklung von zersetztem Beschichtungsmaterial im Durchlaufofen und in der Konditioniereinheit festgestellt werden. Die Fadengeschwindigkeit (Durchsatz) betrug 80 Meter pro Minute.
Beispiel 3
[0054] Beispiel 1 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Bisphenolharz und der Härter sowie die Zusatzstoffe ersetzt werden durch ein thermoplastisches Polyimid (Aurum<(RTM)>, der Firma Mitsui Chem. Co.) mit einem Schmelzpunkt von 388 deg. C. Es wurden analoge Resultate, wie in Beispiel 1 angegeben, erhalten.
Beispiel 4
[0055] Beispiel 1 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Bisphenolharz und der Härter sowie die Zusatzstoffe ersetzt werden durch ein thermoplastisches Polamid-12-Pulver mit einem Schmelzpunkt von 170 deg. C.
Es wurden analoge Resultate, wie in Beispiel 1 angegeben, erhalten.
Beispiel 5 (Vergleichsbeispiel)
[0056] Die Beispiele 1, 3 und 4 werden wiederholt mit der Massgabe, dass auf die Installation der Kalibier- und Zwirnvorrichtung verzichtet wird. Auch hier waren die Resultate aus den Beispielen 1, 3 und 4 den Resultaten aus Beispiel 5 deutlich überlegen. Im Verfahren gemäss den Beispielen 1, 3 und 4 war die Fadenqualität, sowie der Verlust an Beschichtungsmaterial im Durchlaufofen, erheblich kleiner als im Beispiel 5. Ebenso war die Schüttdichte eines gemäss den Beispielen 1, 3 und 4 erhaltenen Granulats merklich höher als diejenige gemäss Beispiel 5. Auch der Durchsatz war in den Beispielen 1, 3 und 4 im Vergleich zu Beispiel 5 deutlich höher.
The present invention relates to a method for calibrating and / or twisting plastic-coated multi-filaments according to claim 1.
The multi-filaments are used, for example, for the production of calibrated thin threads, in particular sawing threads for the cutting of precise workpieces in the electronics industry, or for the production of tapes and prepregs, fiber-reinforced plastic granules, fiber-reinforced molded parts and in pultrusion use.
The production of plastic-coated multi-filaments, which preferably consist of parallel aligned filaments, but also in the form of tapes or prepregs, is known per se.
In this case, usually multi-filaments, which consist of continuous fibers, coated with a plastic, or a mixture of plastics which may contain various additives, and in further processing stages, depending on the purpose, to threads, granules, fiber-reinforced molded parts or pultruded or extruded profiles.
Thus, it is known to perform in the melt coating process to be coated multi-filaments through the melt of a thermoplastic material, then allowed to cool, and then further processed.
In the practical application of this method, especially at high fiber content and increasing fiber length, but a high dispersion of the strength values and numerous local weak points are found on the molded part. Similarly, in the application of wet coating processes, i. a liquid impregnating bath in which the plastic is dissolved in a solvent, in which case the difficulties associated with the evaporation of the solvent are added.
In the dry coating process, the multi-filaments to be coated are preferably moved through a fluidized bed.
As a rule, this fluidized bed consists of a thermoplastic polymer powder in which, if appropriate, additives are incorporated (compounded), or of a thermosetting plastic powder or plastic powder starting mixture, this coating being applied to the multi-filaments as a coating. It is also possible to uniformly apply the individual components of the coating in the fluidized bed process, directly to the fiber in the desired composition, wherein optionally mixing the individual in the fluidized bed coating components additionally in the fluidized bed, so that a segregation of the individual components practically prevented becomes.
Subsequently, the coated multi-filaments are preferably at least partially melted in a continuous furnace, for example by means of IR radiation, and then cooled again. Thus, an improved distribution of the plastic on the fibers of the multi-filament is achieved. However, this dry coating method has the disadvantage that a part of the powder used for coating immediately after leaving the coating unit of the fibers of the multi-filament drops again, whereby the powder application and thus the resin content and / or the filler content is limited in the final product, which the quality of the final product is impaired.
However, the coating powder also falls off in the continuous furnace and decomposes in contact with the overheated furnace surface, so that decomposition products are formed, which pass through the exhaust air into the venting system and the environment. In addition, these particles arrive as dust and as decomposition products in other parts of the production plant, in particular in the filter of the ventilation system, and close there the filter of the ventilation system.
This in turn leads to imbalances in the operation and the operating conditions, which adversely affects the quality of the coated multi-filaments.
In all cases of the coating methods mentioned in the practical application, in particular at high multi-filament content, a high dispersion of the strength values and numerous local weak points on the formed multi-filament yarn and thus also on the molded part. In particular, there are also local differences in the fiber diameter, in the rounding or in the degree of rounding of the fibers of the multi-filament and their occupancy with plastic, which causes the disadvantages mentioned in the consequence.
There is therefore a need to reduce these disadvantages or to completely eliminate them.
For the production of thin multi-filament yarns, in particular of sawing threads for the electronics industry for cutting precise moldings, for example of molded parts, which consist of silicon carbide, or of wafers, chips and related moldings or in the production of Solar collectors, it is further necessary that these threads both thin as well as very precise, ie the diameters of these filaments are in the micron range, preferably in the range of 100-1000 microm microns, and the range of variation of the linear deviation of the diameter from the nominal value should be within a few microns ,
In this sense, a very accurate calibration of the multi-filament threads is necessary, that is, both the diameter and the roundness of the thread along the entire length of thread within the given mass and accurately adjusted controls.
For the coating of multi-filaments, especially in the powder coating, preferably "linear" multi-filaments are used, wherein the filaments are arranged plane-parallel, d.i. the so-called "zero twist" quality.
These multi-filaments are easier to fan out during the coating process and thus coat more evenly.
It has now been found that thin multi-filaments, which are worked accurately in diameter along their entire length, have only a small linear deviation in the diameter length and thus a high degree of rounding, and are also very compact or compacted, obtained when the plastic-coated continuous fibers of which the respective multi-filament is formed, or several such multi-filaments in the composite, on which the plastic is in heated, molten or liquid state, followed by the coating, simultaneously or sequentially in any order, both calibrated, ie sets the diameter accurately, as well as subject to a continuous rotation or twisted.
Preferably, this is done using a rotating calibration nozzle. The individual fibers of the multi-filament are twisted in the process of the rotating Kalibrierdüse along the individual threads retroactively in the direction of the coating device. After passing through the rotating Kalibrierdüse the twist dissolves again to a high degree, so that the fibers of the multi-filaments after passing through the rotating Kalibrierdüse only a defined number of spiral revolutions per meter, but are arranged substantially linear.
Such multi-filament threads can then be coated, for example, additionally with a suitable plastic and optionally with mineral grain and then cured, so that excellent sawing threads are obtained, which are suitable for the production of electronic molded parts, such as wafers, chips and related molded parts , In addition, there are the advantages that the deposited during the coating on the multi-filament material in the multi-filament better distributed and no longer falls from the coated fiber of the multi-filament when entering the continuous furnace. By means of the calibration and twisting according to the invention, the multi-filament yarn is homogenized and compacted and the enclosed gases forced out of the composite. The result is a calibrated "void free tape" with high density.
In addition, the filler content in the coating premix can be significantly increased, so that products with a lower fiber content and higher filler content can be produced. The bulk density and the flowability of a granulate produced from such according to the invention sealed yarns is significantly increased and greatly reduced the lint formation during granulation.
By taking place in the inventive process entanglement of a multi-filament or more multi-filaments together their tensile strength in the coating process is significantly increased and can be easily doubled, so that thread breaks in the process, especially in the area between the coating device and the Kalibrierdüse , are largely avoided even at high yarn tension.
These unexpected advantages allow
perform the entire process under significantly increased yarn tension, which in turn allows more balanced process control and increased productivity of the production line. Surprisingly, relatively coarse powder particles with a particle size of up to 800 microns remain in the dry coating as a result of the entanglement in the composite included, so that can be dispensed with an uneconomical Feinstmahlung the polymers with a narrow grain size spectrum.
The invention is defined in the patent claims. In particular, the invention relates to a process for the production of plastic-coated multi-filaments according to claim 1.
The multi-filaments are calibrated and subjected to continuous rotation such that the coated individual filaments of the multi-filaments are calibrated and twisted together to form a compact closed strand. This results in a homogenized and compacted multi-filament with the aforementioned advantages.
The thus treated multi-filament can be subjected to a further coating or post-coating.
In this sense, the invention further relates to a method which is characterized in that the calibrated and twisted multi-filaments in a secondary coating additionally with plastic, optionally mixed with mineral grain, preferably at a temperature above the melting point of the plastic coated and then hardens or solidifies.
The present invention also relates to the use of the calibrated and twisted multi-filaments according to the invention according to claim 14.
Also included are fabrics woven from coated multi-filaments and optionally subsequently compressed. Tapes also include endlessly made fiber reinforced tapes.
Prepregs include unidirectional and fabric reinforced prepregs.
The present invention also relates to the sawing threads, tapes, prepregs, fiber-reinforced plastic granules, fiber-reinforced molded parts, fiber-reinforced pultruded or extruded profiles according to claim 13.
In addition, the present invention relates to a device for carrying out the inventive method.
The above-mentioned coated, calibrated and twisted single multi-filaments may have been coated by the melt-coating method, the wet-coating method and / or the dry-coating method, preferably by the dry-coating method.
The calibration and twisting of the multi-filaments can be carried out, for example, so that then leads to the coating process, the coated, individual continuous fibers of the multi-filament by at least one calibration device and at least one Verzwirnungsvorrichtung.
Preferably, a rotating calibration die is used whereby these multi-filaments are simultaneously both calibrated and twisted together as they pass through this rotating gauge die. At the same time, the calibration nozzle rotates at such a high speed that the multi-filaments are twisted and also calibrated, whereby the calibration is achieved by throwing away any excess coating material which is located on the fiber of the multi-filament. The diameter of the calibration nozzle is adjusted so that the desired thread diameter is obtained. In this case, the multi-filament yarn, as already mentioned, in the process of the rotating Kalibrierdüse each along the thread retrospectively twisted in the direction of the coating device.
After passing through the rotating Kalibrierdüse the twist dissolves again to a high degree, so that the fibers of the multi-filaments after passing through the rotating Kalibrierdüse have only a defined number of spiral revolutions per meter.
Using a rotating Kalibrierdüse, it rotates, as mentioned, with at least such a high speed that all excess coating material, which is located on the fibers of the multi-filament, is thrown off. In this case, this nozzle, which is preferably mounted or fixed in a hollow shaft and rotates together with this hollow shaft rotates at a suitable speed of usually at least 1500 revolutions per minute (rpm), preferably at least 2000 rpm and preferably at about 2500 rpm.
The die, preferably made of hard metal, is preferably heated to at least the melting temperature of the multi-filament coating, i. usually at least about 100 deg. C, and preferably about 150-180 deg. C. Also, the plastic coating of the multifilament fibers must be fluid, i. be heated to a temperature which is usually at least 100 deg. C, and preferably at least about 150-200 deg. C, or about 50 deg. C is above the melting point of the polymer. This heating can be done for example by means of IR radiation.
It is also possible to connect several individual calibration and twisting devices, preferably a plurality of rotating Kalibrierdüsen, or a combination of these devices, one behind the other in series and to lead the multi-filaments through these devices.
As a result, the multi-filaments are even more precisely calibrated and twisted higher.
Preferably, the rotating sizing die has an inner diameter in the range of about 100-1000 microns (microns, microns), preferably in the range of about 150-600 microns, and more preferably in the range of about 200-350 microns, for example about 200-240 microns , whereby a calibrated and verzwirnter or homogenized and compacted multi-filament yarn according to the invention with a corresponding diameter is obtained.
The average linear deviation of nominal value of the diameter of the hardened thread is usually less than 7%, and preferably less than 5%, and also moves in the micron range, resulting in a very high degree of rounding.
Preferably, the obtained twisted multi-filament yarn after passing through the Kalibrierdüse about 2 to 50 spiral revolutions per meter, that is, the individual multi-filaments within the obtained twisted multi-filament yarn form in the thread about 2 to 50 revolutions per meter, preferably about 2 to 30 spiral revolutions per meter, preferably about 2 to 20 revolutions per meter and preferably about 3 to 10 revolutions per meter.
If a multi-filament has been coated, in which the individual endless fibers are arranged in parallel form, then in the twisted multi-filament the mutual parallel guidance of the individual threads essentially remains.
As multi-filaments according to the invention all known multi-filaments can be used, which are known for the production of fiber-reinforced materials. Examples are synthetic inorganic fibers, in particular glass fibers, C fibers, plastic fibers, in particular aramid fibers (aromatic polyamide), Zylon fibers (PBO) 28 dtex (0.028 g / m), or natural fibers, in particular cellulose fibers.
The filament thickness is preferably about 5 microm to 20 microm and about 100 tex-4800 tex (0.1 g / m-4.8 g / m), preferably 600 tex-2400 tex, as such are commonly used.
As plastic for the coating can be used according to the invention known per se thermoplastic materials (as a compound or as a premix) and / or thermosetting molding compositions (preferably as a premix). Thermoplastic molding compounds or plastics and their additives are known from the literature in large numbers.
Synthetic thermoplastic polymers are preferably selected from the group of polyolefins, preferably polyethylene, in particular HDPE, or polypropylene (PP); polycarbonates; Polyoxymethylene (POM); Polyethylene terephthalate (PET); Polybutylene terephthalate (PBT); Polyethylene sulfides (PES); Polyphenylene oxides (PPO); Polyphenylene sulfides (PPS); PSO; PVDS; thermoplastic polycondensates, preferably polyesters and polyamides, such as polyamide 66, polyamide 12 and others; polyvinyl acetates; polystyrenes; polyacrylate; polymethacrylic; Alkylene / acrylic acid copolymers or alkylene / methacrylic acid copolymers, preferably ethylene / acrylic acid copolymers; PEEK and PEK, alkylene / maleic anhydride copolymers; or alkylene / vinyl alcohol copolymers. Preferred are HDPE, PP, polycarbonates, POM, PET, PBT, PES, PPO, PPS, PSO, PVDS and thermoplastic polyamides.
Preference is given to synthetic polymers having a softening point of 100 °. C or higher, preferably in the range of 140 ° C. C to 390 deg. C and especially in the range of 150 deg. C up to 350 deg. C.
Thermosetting plastics in the form of polycondensates are, for example, curable phenol / formaldehyde plastics (PF casting resins), curable bisphenol resins, curable urea / formaldehyde plastics (UF molding compositions), polyimides (PI), BMI molding compounds and polybenzimidazoles (PBI ). Thermosetting plastics in the form of polyadducts are, for example, epoxy resins (EP), molding compositions of unsaturated polyester resins (UP molding compositions), DAP resins (polydiallyl phthalate), MF molding compounds, e.g. curable melamine / phenol / formaldehyde molding compounds or crosslinked polyurethanes (PUR).
As additives for thermoplastic molding compositions or
Plastics and for thermosetting plastics in the form of polycondensates or polyadducts are, for example, in addition to the resin / hardener / accelerator system for thermosets, release agents, lubricants, fillers, pigments, adhesion promoters, stabilizers and inhibitors. Such compounds are known per se, as are the preferred compositions to be used for the coatings according to the present invention.
The plastics mentioned can be in the melting process or directly from the melt or wet process, that is, in a suitable solvent, dissolved or applied in the dry coating process as described above as a coating with a suitable apparatus known per se on the multi-filaments.
Such devices and the process conditions are known to those skilled in the art.
When the treated, i. calibrated and twisted, multi-filaments subjected to a post-coating, the plastics mentioned and the coating methods mentioned, depending on their suitability and choice, can be used independently. In this case, the plastic can also be used in admixture with mineral, preferably crystalline compounds and serve as a binder for the mineral substances. Such a secondary coating is necessary in particular for the production of sawing threads.
Such mineral substances are, for example, inorganic compounds, such as oxides, carbides, preferably in powder form, such as magnesium oxide, aluminum oxide, silicon carbide, or other materials of high hardness, such as crystalline carbon, preferably diamonds, especially industrial diamonds, preferably in the form of diamond powder. The grain size of the powder is preferably in the range of about 5 microm-300 microm, preferably in the range of about 10 microm-100 microm and more preferably in the range of about 10 microm-30 microm. Preferred for the post-coating are plastics having a softening point of 100 °. C or higher, preferably in the range of 140 ° C. C to 390 deg. C and especially in the range of 150 deg. C up to 350 deg.
C, using the same process temperatures as described for the coater herein.
The attached Fig. 1 illustrates a schematic of a device for the inventive coating and post-coating of a multi-filament, comprising three series-connected rotating Kalibrierdüsen which the multi-filament first to 300 microm, then 260 microm, and then calibrate to 240 microm and twine at the same time.
By way of illustration, a separate twisting device is mounted after the first IR oven.
Fig. 2 shows a rotating calibration device containing the rotating Kalibrierdüse, in cross section.
3 shows a twisting device in the plan view.
Fig. 4 and Fig. 4A show a rotating spinneret with shearing member, consisting of a cone for the melting cone A, the center hole B, the transverse bore D, the flat channel C, the camps E and F and the ring gear G. It occurs the coated with molten plastic multi-filament through the center hole B in the Zwirndüse, expands in the transverse bore D and exits through the flat channel C again. The twisting nozzle rotates in this process with 1000 to 2500 revolutions per minute. The changed cross-section causes a shear effect.
The inner continuous fibers of the multi-filament are thereby opened much better. This gives a homogeneous multi-filament with a uniform resin content. This is more compact and can be granulated to a better granules. The density of the multi-filament is higher. The coated multi-filament is twisted through the rotation and through the flat channel to the coating, so that the coated multi-filament passes through the IR oven without loss of coating particles.
The sprocket makes it possible to arrange different twisting nozzles in a small space in line next to each other and to drive each other.
Fig. 5 shows a further embodiment of the Kalibrierdüse, analogous to that shown in Figs. 4 and 4A, but with the flat channel B is narrower than the designated as calibration hole C channel.
The device (1) shown in the Appendix as Fig. 1 consists of a development device (2), the coating device (3), the two IR ovens (4), the Nachbeschichtungsvorrichtung (5), the series-connected three calibration devices (6), each having a rotating Kalibrierdüse (7), the twisting device (8), the conditioning device (9) and the winding unit (10). In this case, the first calibration device is mounted directly after the coating device (3).
The two other calibration devices (6) are then attached to the first IR oven (4). A twisting device (8) is connected upstream for illustration of the second calibration device (6).
If the coating device (3) means a device for the dry coating process in a fluidized bed, the particle size distribution of the coating component or the coating components in the dry coating is preferably in the range of 30 microm-250 microm, preferably in the range of 50 microm-300 microm. The average grain size is mainly about 50 microm-150 microm.
For the inventive coating of multi-filaments in the dry coating process with a reaction resin, such. an epoxy resin, it is preferable to use a melt temperature in the range of 60 ° C. C-400 deg.
C, preferably 70 <o> C-220 deg. C, a roller temperature of 10 deg. C-200 deg. C, preferably 20 ° C. C-50 deg. C, a yarn speed of 3-200 meters per minute, preferably 50-150 meters per minute. The processing conditions for the various plastics are known per se and also depend on the size of the apparatus used and can be used by the skilled person readily for the particular plastic used or for the particular resin used properly.
In the powder coating process itself, the multi-filaments of a Rovinggestell, preferably from the outside of the roll, unwound and fed into the coating unit, where they are preferably fanned out and pass through the fluidized bed. The fluidized bed bath in principle comprises a trough and contains the supply for the coating component or
Coating components and the fluid bottom, which preferably consists of sintered aluminum and through which the supply air to the fluidizing, which is the fluidizing air for maintaining the fluidized bed, is introduced. The diameter of the perforations in the perforated intermediate bottom (fluid bottom) is smaller than the grain size of the coating powder or of the coating components or of the granules used. Through the perforations, air or an inert gas is injected from below, so that a flowing powder or granular bath or a fluidized bed is formed. In the fluidized bed bath are also several pulleys or deflection rods for fanning and streamlining of the fibers.
The coating unit may be provided with means for additional mixing of the coating components, e.g. a mixing device for an additional mechanical mixing of the coating components, be provided.
The temperature of the supply air to the fluidizing tank, that is to say the conditioning of the fluidizing air, is controlled proportionally to the melting point of the polymer powder. Thus, the powder application amount can be controlled. Preferably, a sintered aluminum fluid tray is used. The conditioning of the fluidizing air makes it possible to preheat thermoplastic powder with a high melting point during the coating to below the softening temperature and thus to reduce the required heating time. Thus, the productivity of thermoplastics with high melting point can be significantly increased.
However, heating in the conditioning may only take place sufficiently below the temperature (on-set temperature) in reactive resin mixtures at which the exothermic curing process of these resin mixtures begins.
After the coated multi-filaments have left the fluidized bed bath, they pass through the rotating calibration device (6) shown in FIG. 2, containing a rotating calibration nozzle (7) made of hard metal, through which the filaments of the multi-filament pass simultaneously both calibrated and twisted. The calibration nozzle (7) is fixed in a hollow shaft and rotates together with this hollow shaft. The rotating hollow shaft can be driven by a known electric drive.
The calibration nozzles can also be integrated into gears, with the individual gears meshing and driving in line.
Subsequent to the first calibration device (6), the coated multi-filaments are passed through an infrared oven (4) or a continuous furnace, where they are heated. For this purpose, the continuous furnace preferably contains an infrared heater. The coating is slightly liquid or pasty, but not so liquid that it can drip from the multi-filament. In this state, further coating powder or granules can subsequently be applied by means of a subsequent coating in a further similarly designed coating device (5), which can be mixed with inorganic material as described above.
The coated, cooled multi-filament yarn can also be passed through heated and fluidized mineral or metal powder above the melting point, the temperature and the residence time determining the layer thickness of the applied material. Subsequently, it is treated in another infrared oven. In this way, the desired amount of plastic to be applied to the fibers can be supplemented. In this way, thread weights with a very low fiber content, for example threads with only 15% by weight fiber content, can be obtained. The post-coating can also serve as insulation.
In Fig. 3 shown twisting device (8), with which the coated multi-filaments of a continuous rotation or
Twisted, but not calibrated, is preferably installed after the first continuous furnace (4) in the melt area of the coated multi-filament (s). As a result of the thread tension, the twisting device (8) causes a rotation of the multi-filament or a twist, the uniform and continuous over the entire multi-filament retroactively until the exit of the coated multi-filament from the coating device (2) or the Kalibrierdüse (7 ) takes place.
Preferably, the twisting device, as shown in Fig. 3, consists of two cooled, provided with V-grooves waves, which at an angle of less than 90 °. ( <90), preferably at an angle in the range of 5 °. to 20, are arranged one behind the other and the second shaft is preferably arranged at right angles to the running direction of the multi-filaments. The 1.
Nut shaft is at an angle above or below 90 deg. to the yarn direction, preferably at an angle of at least 91 °. or 89 deg. (> 1), preferably at an angle in the range of 60 °. to 120. The coated multi-filaments run, for example, over the first shaft and under the second shaft, that is, the multi-filaments are performed on the first wave and then under the second wave in each case in the V-groove. In this case, the first shaft rotates to the left and the second shaft to the right. In this case, the V-groove of the first wave in the longitudinal axis of the multi-filaments by at least 1 mm, preferably 5 mm laterally offset, so that the longitudinal axis of the multi-filaments laterally over the inclined edges of the 1st wave runs.
The multi-filaments are forced by the angular arrangement of the waves and by the offset of the grooves on the V-flanks and twisted or twisted by the acting transversely to the longitudinal axis of the multi-filament component, so that a right or left rotation of the multi-filaments Filaments results. The number of turns per meter is determined primarily by the angular opening of the 1st wave. The rotation of the groove shafts is achieved by friction with the coated multi-filaments or additionally by external drive. The number of rotations per meter depends on the product and is determined by optimizing the angular arrangement and the friction of the coated multi-filament in the V-grooves, which is not a problem for the person skilled in the art.
The twisting device is preferably mounted or installed after the first or optionally after another continuous furnace.
The rotation acts evenly, as described above, over the entire length of the multi-filaments retroactively up to the place where the multi-filaments leave the coating device, or for the present example, the first calibration.
After the multi-filaments coated, calibrated and twisted, and optionally coated, they are now passed through a conditioning device (9), which consists of a cooling device and optionally a heating device. If an epoxy resin mixture has been applied as the coating, the multi-filaments are optionally reheated, the epoxy resin mixture being pre-gelled or precrosslinked but not cured.
Above all, the cooling is necessary because the multi-filament-plastic composite is subsequently pulled through a pair of rollers which transports this composite. At the location of the pair of rollers, the multi-filament-plastic composite must have a solid state, since otherwise the plastic may adhere to the rollers of the roller pair, whereby they would be contaminated and possibly a reliable transport of the multi-filament-plastic composite would be hindered , Preferably, the multi-filament-plastic composite passes through a heating device in which any existing stresses in the composite are degraded. Subsequently, the obtained coated multi-filament can be wound or granulated.
If a pultrusion tool is used, it is preferably installed after the twisting device.
The apparatus preferably has the following structure for this case:
Creel -> coating bath -> IR furnace -> calibration / twisting device -> pultrusion tool -> profile extractor.
The present invention also relates to an apparatus for carrying out the method according to the invention, comprising at least one coating device (3) for coating the multi-filament in the melt coating process or in the wet coating process or in the dry coating process, at least one IR oven (4) as a continuous flow device ( for the wet and dry coating method) for the fixation of the coating, optionally a subsequent coating device (5) connected to a further IR oven (4), and at least one conditioning device (9),
consisting of a cooling device and optionally a heating device for the final conditioning of the coated multi-filament, characterized in that in the area subsequent to the coating device (3), but before the conditioning device (9) and before an optionally present Nachbeschichtungsvorrichtung (5), at least one Calibration device (6) and at least one twisting device (8), preferably a calibration device (6), which is calibrated and twisted simultaneously installed, through which the coated individual filaments of the multi-filament over its entire length immediately after leaving the coating device (3 )
calibrated and twisted and form a compact closed thread.
The following examples illustrate the invention.
example 1
PBO multi-filament containing 160 filaments with a filament diameter of 0.005 mm, 0.012 mm and 0.014 mm (5 microm, 12 microm and 14 microm) are coated in the dry coating process with a matrix containing a conventional bisphenol resin and hardener (50.0 % of the total coating) and conventional release agents, lubricants, fillers and pigments (50.0%), in conventional composition. The components of the matrix are mixed in a mixer and have a particle size distribution in the range of 30 microm to 100 microm.
The coating process is carried out on an apparatus previously described in the description using a coating unit described in EP-A-0 680 813. Directly after the coating unit is installed a calibration device containing a hollow tube mounted rotating nozzle for the continuous simultaneous calibration and twisting of the multi-filaments. This calibration device corresponds to the device shown in FIG. The nozzle has an inner diameter of 300 microm.
A second and a third such calibration device, each with a nozzle diameter of 260 microm and 240 microm are mounted in series subsequent to the IR continuous furnace.
The multi-filaments of a Rovinggestell from the outside or from the inside starting, preferably from the outside, unwound, fanned out and guided over four deflecting rods through the fluidized bed. The coated multi-filaments then pass through a powder calibrator (may, but need not be), then the infrared continuous furnace at a temperature of 180 deg. C and then the two further rotating calibration devices connected in series.
The coated multi-filaments are then conditioned in the conditioning unit and cooled to solidify the plastic.
There were obtained coated microfilaments with a diameter of 240 microm and a deviation on the length of the thread of less than 0.5%. There was practically no smoke development of decomposed coating material in the continuous furnace and in the conditioning unit. The yarn speed (throughput) was 140 meters per minute.
Example 2 (comparative example)
Example 1 is repeated with the proviso that dispense with the installation of the calibration and the multi-filament yarn is only twisted.
There were obtained coated multi-filaments with a diameter of about 300 microm and a deviation on the length of the thread of 15%.
It was possible to detect smoke development of decomposed coating material in the continuous furnace and in the conditioning unit. The yarn speed (throughput) was 80 meters per minute.
Example 3
Example 1 is repeated with the proviso that the bisphenol resin and the curing agent and the additives are replaced by a thermoplastic polyimide (Aurum <(RTM)>, Mitsui Chem. Co.) having a melting point of 388 deg. C. Analogous results as given in Example 1 were obtained.
Example 4
Example 1 is repeated with the proviso that the bisphenol resin and the curing agent and the additives are replaced by a thermoplastic polyamide 12 powder having a melting point of 170 °. C.
Analogous results as given in Example 1 were obtained.
Example 5 (Comparative Example)
Examples 1, 3 and 4 are repeated with the proviso that the installation of the calibration and twisting device is dispensed with. Again, the results from Examples 1, 3 and 4 were clearly superior to the results from Example 5. In the process according to Examples 1, 3 and 4, the yarn quality and the loss of coating material in a continuous furnace were considerably smaller than in Example 5. Likewise, the bulk density of a granulate obtained according to Examples 1, 3 and 4 was appreciably higher than that according to Example 5. The throughput was significantly higher in Examples 1, 3 and 4 compared to Example 5.