CN1063385C - 借助内酰胺的聚合在模型内生产模制件的方法 - Google Patents

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Abstract

为借助内酰胺在模型内聚合生产具有可复制的和确定的技术性能的模制件，兹提出一种方法，在该方法中，一种纤维复合材料(14)为使其镶入模制件内而在聚合过程之前放入模型(7)内并被固定定位。本发明此外还公开了一种新型的、按照所提出的方法生产的模制件。

Description

借助内酰胺的聚合在模型内生产模制件的方法
本发明涉及一种在模型内加有纤维复合材料情况下借助内酰胺的聚合生产模制件的方法。此外，本发明还涉及新型的、按照本发明所提出的方法生产的模制件。
用内酰胺进行模制件的工艺生产，尤其是通过活性碱性快速聚合或本体聚合，这已被应用了约30年了。本发明意义上的模制件应理解为可借助已公开的铸造和聚合技术生产的零件，毛坯件、模型件等也属于此类。
在机器和仪表制造范围内，例如自多年以来，人们试图用其它在生产和应用方面具有技术的和/或经济的优点的材料来替代金属板材。作为选择的材料，此外塑料合成物也被接受，它们在性能上多种多样并按任何要求尽可能精确地被调整。不过到目前为止，还没有这样的合成物被提供，即它们在其强度、稳定性、硬度、刚度、韧性、耐热性，在其防火性能方面等能完全替代金属。只要各合成物至少部分达到甚至超过金属的技术性能，由于经济方面的原因，使用这些材料比使用金属好。因此始终需要，从可能的种类中选择出对任何应用场合都最佳的由许多花色品种组成的替代塑料合成物，以便最好地适合所要求的场合。
片状的塑料模制件的应用领域是交通工具制造和运输业。在这些领域中应用了以往由金属板制成的大面积模制件。近来，这些模制件主要由热固性塑料来代替，其中尤其是由不饱和聚酯树脂(UP-树脂)，聚氨酯(PU-树脂)和环氧树脂(EP-树脂)组成，对于小机械载荷部件，越来越多地采用热塑性塑料，其中，主要应用的是混合塑料(Massenkunststoffe)聚丙烯(PP)、聚碳酸脂(PC)、丙烯腈-J二烯-本乙烯及不同的混合形式。
尤其在交通工具制造方面，使用塑料的多样性逐渐表现出与金属材料相比具有缺点，因为近来存在废旧设备的回收和再利用的必要性。近年来，金属的再利用主要通过废料化处理解决了，而塑料回收才刚刚开始。已经表明，塑料的按类拣选是昂贵的。因此，从一开始就少用几种塑料种类显得更有意义。这些塑料种类则应尽可能广泛地在任何应用场合下被采用，在汽车制造中，例如保险杆，侧面板，挡泥板，顶盖，心土层组(Unterbodengruppen)，发动机罩等。在此，希望仅用一种塑料提供给许多应用场合。
在塑料翻新方面的重要参数是其所需能量消耗和残余塑料能重新加工成塑料零件的比率。通常，塑料零件被切碎并去除杂质。所获得的原料通常作为颗粒使用。如果是热塑性塑料，可用注塑机完全重新加工成新零件。与此相反，热固性塑料在相似条件下不熔融，因此只能在生产新的热固性塑料件时作为填料部分地被采用。因此，热塑性塑料由于其完全可重复加工性而比热固性塑料具有更大的意义，故此，寻找适合的热塑性替代材料受到人们的重视。
一种熟知的具有特别优良性能的热塑性材料是聚酰胺，它已被用来生产价值高的技术零件。聚酰胺在工艺性能方面易受影响，因此它作为金属替代物在技术和经济上引起人们的兴趣。不过，对于大面积的，相对于面积延伸而言基本上呈薄壁的模制件，聚酰胺目前还不可能制造。尤其对承载部件，占统治地位的除热固性塑料零件外还有那些必须承受强烈机械力而不被打碎的金属板。
此外，由聚酰胺组成的模制件借助内酰胺在模型内的聚合被生产。用内酰胺进行模制件的工业生产，尤其是通过活性碱性快速聚合或本体聚合，这已应用了近30年。本发明所指的扁平模制件是通常用薄片、金属板，或其它平面形材料生产的模制件，它们通常具有较大的平面延伸和相对较小的厚度。
由内酰胺组成的模制件一般是通过内酰胺在模型内聚合而生产的，并且比传统的、例如聚酰胺组成的塑料零件通常更硬、更刚和更耐磨。这主要是由于高的结晶度。通常方法中边界条件如温度、停留时间等的确定，以及通过所用添加剂及后处理的选择可对模件各工艺性能产生影响。不过上述条件中的大多数需要很大的经济和技术费用才能得以维持。高结晶率首先导致由内酰胺生产的模制件具有高脆性。因此，按照传统方法由内酰胺生产的模制件会由于所谓冷流(Kaltfluβ)导致的爆炸式裂痕而引起突然的过载被损坏。对于安全性重要的结构部件，这将导致巨大损失。
虽然在现有技术方面，模型内用玻璃纤维增强的被硬化的单质即热固性塑料已公开，但这些公开的方法对于专业人员而言是不能照搬的。热固性塑料，即传统意义的玻璃纤维塑料，是在自由基聚合作用下产生的。对于借助内酰胺聚合生产模制件是涉及热塑性塑料的生产，它是在离子聚合作用下形成的。在此，有些边界条件对于自由基聚合根本不重要。因此，由热固性塑料生产的方法知识的照搬对于由内酰胺聚合的热塑性塑料生产不一定有效，而阴离子聚合遵循自有的规律。热固性塑料的生产的规律是不能照搬的。
在内酰胺的阴离子聚合方面的特殊问题在于例如由此影响湿度的工艺参数和内酰胺对极性物质的敏感性。因此也不能简单地将传统的玻璃纤维塑料镶入内酰胺内，而它们必须符合由工艺参数确定的标准。
借助内酰胺聚合生产模制件的方法例如已由DE(174 982A)和DE1 910 175A1公开。前者公开了一种生产铸造聚酰胺模型体的方法，它们是采用离心铸造生产的，其中离心力不得超过其重力。虽然公开了填料装入的原则可能性，不过无法确认，通过何种措施获得规定的技术性能。DE1 910 175A1同样公开了一种生产聚酰胺铸造模制件的方法，其中，为提高薄壁模制件的刚性采用了网垫。没有指出使用确定使用的纤维或使用某种类型的纤维。
DE2050572A1、DE1214865A1和DE1066021A1描述了旋转铸造和离心铸造方法，甚至公开了方法细节，不过没有提到所谈到的纤维增强模制件的关系。
由此，本发明的目的在于，进一步改进借助内酰胺在模型内聚合生产模制件的方法，以增大所生产的模制件抵抗突发过载的强度并改善按照本发明方法生产的模制件的可复制性和所确定的技术性能。
为达到上述目的，兹提出一种借助内酰胺在模型内聚合生产模制件的方法，在该方法中，纤维材料为使其镶嵌在模制件内在聚合过程之前放入模型内并相对于模型固定不动地定位。
按照本发明的方法，使得通过有目的地装入纤维材料而改善模制件材料的可复制性和工艺性能，例如抗拉强度，弹性模量E、冲击韧性及类似的性能成为可能。本发明所指的纤维复合材料可理解为玻璃丝束、织物和网垫，还有纱丝和针毡，即按本发明优选实施形式为针状纱丝或毛毡、织物、粗纱、粗纱布和钢筋网或合成纤维。主要是要考虑材料(基体)与织物的相容性，其工艺性能受此影响。重要的是，纤维不含阻聚物。
按照本发明，纤维复合材料固定地装入模型内，因此可以确保纤维复合材料在工件中的几何位置。以最佳方式，模型同放入的织物一起被加热到120℃-190℃，最好在145℃至180℃之间。按照本发明，内酰胺在纤维复合材料放入模型内后注入模型。如内酰胺同所需添加剂一起在注入模型前被熔化，这是有利的，其具有优点的方式是调到110℃-140℃，最好116℃-125℃。
按照本发明的优选实施形式，模型在内酰胺注入后被封闭和抽真空。此外或也可能按本发明使模型在内酰胺注入期间或注入之后旋转。最佳方式是将旋转速度调至30-250转/分。在该转速下，模型也可双轴旋转，这对中空件生产有利。该方法使得内酰胺分阶段注入成为可能，以致每次注入依次根据熔体粘度进行。只要内酰胺熔体的工艺参数得以维持，以致不形成完全聚合，该方法使得纤维材料后序放入成为可能。
按照本发明的另一优选实施形式，旋转速度调到100和2000转/分之间。向旋转模型内的注入在其旋转中心完成。上述各种方法都应确保，避免所生产的模制件内夹杂空气并获得铸造体和纤维复合材料之间的良好结合。
按照本发明的优选实施形式，尽可能大量地采用玻璃。由此尤其强度值可进一步提高。在此要特别注意的是，聚合的聚酰胺尽可能牢固地固定在玻璃表面，以使所完成的零件保持尽可能少的空气夹杂，尤其是聚合完全在2％最大残留内酰胺含量下进行。
尤其是按照本发明，最好采用玻璃纤维织物。它具有体积小的优点，由此带入模型内的空气少。此外可通过层叠达到高的玻璃含量。织物可按照所要求的受力方向以不同纤维方向摆放，以由此获得满足不同静力和动力载荷的结合。此外，采用玻璃纤维织物还使生产薄壁件成为可能。
按照本发明，玻璃纤维布放入已经热的模型内，并且模型被再加热。通过这种措施，织物内湿气被去除。在此，在模型封闭时用氮气通过织布。也可以将封闭的模型抽真空。重要的是，通过这种方式避免潮湿，它会阻碍甚至抑制内酰胺聚合，以致产生大于2％的残留内酰胺含量。
按照本发明的另一提议，采用其表面不含离子型物质的玻璃纤维材料。此处还建议，模型的抽真空应使可避免完成件内夹杂空气。在此，一种可能性在于，在内酰胺注入和模型封闭后产生真空。另一可能性是，借助喷嘴将内酰胺喷入抽真空的模型内。另外，玻璃含量最好被调到10-70％。
按照本发明的另一建议，模型在聚合过程期间被施加压力。由此使模型处在压力下。通过这种方式，尤其可生产低应力模型件。按照本发明的另一建议，对内酰胺增补添加剂，以对所希望的工艺性能产生影响。通常采用某些活性的预聚合物，通过它们在高结晶铸造聚酰胺内有目的地提高非结晶体(amorphe)含量以降低脆性并提高韧性。按照本发明的另一建议，根据材料再生的观点，添加剂选择热塑性塑料。当然应不采用会阻碍负离子聚合的添加剂。
利用本发明的方法可生产扁平的模制件，它们能用经济的生产方法达到近似于用金属生产的扁平模制件的工艺性能。此外，按照本发明方法生产的模制件还可达到用热固性塑料生产的模制件的工艺性能，并与之相反，可简单且几乎完全再利用。
此外，用本发明方法可生产具有可复制工艺性能的模制件，其中，基本上可提高抵抗突发超载的强度。例如其机械性能受纤维合成材料种类，放置形式及放置数量、纤维方向等影响。
按照本发明方法生产的模制件在结构及工艺性能方面是新式的。尤其是工艺性能的可确定性和可复制性令人吃惊。
本发明的其它优点和特征将参照本发明方法的实施例及附图在下面的描述中给出。
图1、解释本发明步骤的示意流程图；
图2、一模制构件的实施例示意截面图；
图3、实施本发明的一示意布置图。
按照图1所示的示意流程图解释实施例。
在第1和第2步骤中，首先按预先确定的量提供内酰胺和所需添加剂即每种原料定性和定量地分配，这与技术秘密有关影响方法的有效进行。例如，准确的开列能使材料中选出的组份、即单体和低聚物的含量保持在低于2％，这样，其工艺性能此后不会变坏。
在步骤6中，按照相应的量对纤维合成材料下料和开列。按照所希望的工艺性能选择纤维合成材料。
例如可放入玻璃布、玻璃纤维垫制品、玻璃针毡或玻璃针丝(Glasnadelfliese)。对采用粗纱玻璃布而言，要注意基体与纤维之间的均匀结合。玻璃纤维垫制品的结合点可用适当的热固性粘结剂结合。针毡和纱丝(Filzen und Fliesen)的泡沫结构有助于提高成品工件的冲击吸收强度。
在步骤3中，内酰胺和添加剂混合和熔化。温度控制装置4和时间控制装置5确保产生所希望的具有确定性能和特定状态的熔体。
在步骤6中准备好的纤维合成材料被放入模型7内。温度控制装置8用于保持在所希望的温度。依照时间控制装置9和10完成内酰胺的注入并依照过程控制11完成最终的聚合。
例如，在完成注入后，模型封闭和抽真空和进行离心铸造的模型旋转属于过程控制，其中转速在100和2000转/分之间最好。在旋转中心进行注入。对于旋转铸造，例如双轴铸造，旋转速度调到30和250转/分。该方法使得依照模型内粘度的上升将熔体分步注入成为可能。
在完成聚合之后，所制得的工件一般可简单地从模型中取出。
取出之后，通过将工件放置在确定的气氛中、如在加热的或无空气对流的气氛中达到所希望的再结晶作用。
模型可最好由优质钢制成。且不需要分离剂。
如图2一绳轮例子所示，通过纤维复合材料在模型内固定定位，使纤维复合材料在模制件内确定放置，因此确定了其工艺性能。所获得的该模制件12则由内酰胺体13组成，在所示的实施例中，纤维复合材料，该实施例中为纤维网14以确定的方式放置在该内酰胺体内。
在图3示意的模型15内形成了空腔16，用以生产大面积的模制构件。在所示的实施例中例如由玻璃纤维织物组成的纤维复合材料17放入空腔16内。在空腔16上连有一个混合头18，因此在所示的实施例中，内酰胺熔体以所谓注射法被输送。同样，一个真空泵19紧贴在空腔16上，该泵在空腔16内产生一负压，以使熔体通过混合头18被吸入空腔16。因此，放入空腔16内的纤维复合材料在聚合之前被镶嵌在熔体内。

Claims (26)

1．在加入纤维复合材料情况下在模型内借助内酰胺的聚合生产基本上呈扁平型的模制件的方法，其特征是，
纤维复合材料为使其镶嵌在模制件内在聚合过程之前大面积地放入一基本上具有大的、平面的模型内并被相对于模型固定定位，而内酰胺被注入其中以便聚合。
2．按照权利要求1所述的方法，其特征是，带有所放入的纤维复合材料的模型被加热到120℃至190℃。
3．按照权利要求2所述的方法，其特征是，带有所放入的纤维复合材料的模型最好被加热到145℃至180℃。
4．按照权利要求1所述的方法，其特征是，纤维复合材料由玻璃纤维组成。
5．按照权利要求4所述的方法，其特征是，采用其表面没有离子型物质的玻璃纤维。
6．按照权利要求4所述的方法，其特征是，玻璃含量被调到10-70％。
7．按照权利要求1所述的方法，其特征是，纤维复合材料由塑料纤维组成。
8．按照权利要求1所述的方法，其特征是，采用针纱丝或针刺毡作为纤维复合材料。
9．按照权利要求1所述的方法，其特征是，采用玻璃丝束作为纤维复合材料。
10．按照权利要求1所述的方法，其特征是，采用织物作为纤维复合材料。
11．按照权利要求1所述的方法，其特征是，采用网垫作为纤维复合材料。
12．按照权利要求1所述的方法，其特征是，内酰胺连同添加剂一起在注入模内之前被熔化。
13．按照权利要求12所述的方法，其特征是，熔体被加热到110℃至140℃。
14．按照权利要求12所述的方法，其特征是，熔体最好被加热到116℃至125℃。
15．按照权利要求1所述的方法，其特征是，模型在纤维放入之后再被加热。
16．按照权利要求1所述的方法，其特征是，使氮气贯通封闭的模型。
17．按照权利要求1所述的方法，其特征是，内酰胺熔体被喷射到封闭的模型内。
18．按照权利要求1所述的方法，其特征是，模型在熔体注入后被封闭和抽真空。
19．按照权利要求1所述的方法，其特征是，模型在其封闭后被施加压力。
20．按照权利要求1所述的方法，其特征是，模型在注入之后被旋转。
21．按照权利要求20所述的方法，其特征是，模型以30～250转/分钟的速度被旋转。
22．按照权利要求20所述的方法，其特征是，熔体注入分阶段完成。
23．按照权利要求20所述的方法，其特征是，模型以至2000转/分钟的速度被旋转。
24．按照权利要求20所述的方法，其特征是，熔体的注入在旋转中心完成。
25．按照权利要求1至24之任一项所述的方法生产的由聚合的内酰胺组成的模制件，其中，纤维复合材料(14)被镶嵌在内酰胺体(13)内。
26．按照权利要求25所述的模制件，其特征是，纤维复合材料布置并镶嵌在预先确定的位置。
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