CN1279646A - 用于改进施胶均匀性的方法和组合物 - Google Patents

Abstract

一种含有杂多糖的玻璃纤维施胶组合物,当通过一个辊式涂布器将其施加到热的纤维上时,这种施胶组合物可以提供改进的施胶均匀性。

Description

用于改进施胶均匀性的方法和组合物

本发明提供了一种用于生产玻璃纤维的施胶组合物和方法，由此可改进在涂布辊上的施胶膜的均匀性。本发明还涉及一种对高温不是很敏感并由此改进了向由大型口模套生产的纤维上施胶的操作的施胶组合物。该施胶组合物和方法在需要有大型口模套并控制施胶均匀性的广泛应用范围内是非常有用的。

施胶组合物用于改进玻璃纤维或碳纤维的加工特性，例如：纤维束的内聚能力，集束性能，可涂布性，抗起毛性，纤维的平滑性和柔软性，耐磨性以及被卷成筒管的纤维束易于无破坏性地解卷的能力等。施胶剂也影响包括被处理纤维在内的复合材料的物理性能。

在增强塑料工业中，已采用多种形式的玻璃纤维以增强聚合物基体，从而生产出各种产品。已经采用呈连续的和切断的长丝，丝束，丝条，织造织物和非织织物形式的玻璃纤维来增强聚合物。采用具有各种不同形式的玻璃纤维增强热固性聚合物基体，从而制成多种产品，例如：片状模塑料，预制整体模塑料，拉挤成型产品，板条产品，喷附成型产品等。

用于聚合物增强材料市场的玻璃纤维的生产涉及把从来自口模套或类似装置的可纤维化玻璃材料的熔融液流中得到的玻璃纤维拉细，其中所述口模套或类似装置与一个装有熔融的可纤维化玻璃材料的加热炉相连接。所述玻璃纤维用例如缠绕机或拉轮的传统装置拉细。在生产玻璃纤维的过程中，在它们被拉细成熔融的玻璃液流之后一个很短的时间内，在玻璃纤维上施加一种化学组合物。在本发明之前，所述化学组合物通常是一种含水溶液，泡沫或凝胶组合物，其中含有成膜聚合材料，偶联剂或增粘剂，润滑剂，并且有时含有加工助剂。当玻璃纤维被聚集成玻璃纤维束或丝束时，为防止玻璃纤维的长丝之间的磨损，这些化学组合物或施胶剂是必须的。为了使玻璃纤维与它们将要增强的聚合物基体能够相容，也要求使用这些施胶剂。在施胶之后，在将纤维用作增强材料之前，需要以卷装的形式或者以切断的丝束的形式干燥纤维。

在许多增强应用中，要求使用装有喷嘴板的大型口模套，该喷嘴板上具有多达4000个。这种喷嘴板或口模套长期在高约1500℃至大约1620℃(2850°F至2950°F)的高温下操作。传统的高温口模套板在2200°F(1204℃)左右的高温下工作。这引起了很多问题。

具体地说，由大型口模套所产生的高温以及进入热交换室中的不受限制的空气流使得处于口模套与施胶剂涂布辊之间的整个纤维扇形体的冷却不足和不均匀。这还进一步导致改变了将要分配到涂布器上的施胶剂的湿润特性。另外，这显然也会对特别是在涂布器中心处的施胶的表面张力产生不良影响。这造成施胶剂被不均匀地涂布和分散在整个纤维扇形体的宽度范围内。特别是，纤维扇形体外边缘处的纤维通常比处于扇形体中间的纤维的温度低。结果，施加在位于扇形体外边缘处的纤维上的施胶组合物的量多于施加在位于扇形体内部区域中的纤维上的量。此外，位于扇形体内部的纤维可能保持非常热的状态，以致不能接受或保留足够量的施胶组合物。

为了解决施胶剂在涂布器上不均匀的问题，已经作了许多尝试。例如，在设计一种装置方面作了大量工作，该装置用于控制通过热交换室的空气流，以便使纤维在整个纤维扇形体的宽度上获得均匀而充分的冷却，从而使玻璃纤维从施胶剂涂布辊上基本上均匀地沾附足够量的施胶剂材料。用于解决这一问题的装置可在最近提交的未审结的美国专利系列申请中找到，该申请在这里被引用为参考文献。但是，还需要提供一种施胶剂，该施胶剂可以改善在涂布辊上的胶膜的均匀性。

本发明提供了一种施胶剂，该施胶剂适用于一种控制在涂布辊上的胶膜的均匀性的方法。另外，本发明提供了一种具有更宽的温度稳定性的施胶剂。

本发明提供了一种直接和低成本的方法，以用于解决控制向涂布辊上施胶的均匀性的问题。特别是，所述施胶剂的组成提供了一种施胶剂，该施胶剂可用于涉及高温的应用场合，同时也可用于在大约室温至小于或等于180°F(82℃)的温度下施加施胶组合物的玻璃成形过程。该施胶组合物允许无须进行空气流控制地用于成型过程中。

根据本发明，所述施胶剂含有一种或多种杂多糖，它是含水的，并且可以在从大约室温至小于或等于180°F(82℃)的温度范围内进行施加。此外，本发明所提供的施胶剂通常具有大约为90～95的水含量，而所采用的杂多糖的浓度范围则从大约0．05至大约0．50，以便避免对复合材料的性能造成任何负面影响。

附图的简要说明

参见附图。

图1是试图用于实施本发明的设备的例子的局部被拆去的等角视图；

图2是图1所示设备的示意的简化右侧视图。

本发明的含水施胶剂由下述成分构成：一种或多种杂多糖；一种或多种偶联剂或有机官能硅烷；一种或多种润滑剂；以及，一种或多种成膜剂。

优选的杂多糖在一个很宽的温度范围内是对热不敏感的，且可在冷水中溶解。此外，优选的杂多糖应被选择成是对诸如爆破强度，循环疲劳及抗拉强度等性能没有负面影响的。同时，在大约60°F(16℃)至大约160°F(71℃)的温度范围内，其粘度应在大约200cps至大约500cps。一种优选的杂多糖为多糖胶。一种特别优选的多糖胶是脱水鼠李糖胶(rhamsan gum)，例如由加利福尼亚州圣地亚哥的“TheNutraSweet Kelco公司”制造的Kelco K1 A112。可以在大约0．001％至大约3．0％范围内、优选地在大约0．05％至大约0．50％范围内的淀粉。最好，加入的淀粉量由大约0．05％至大约0．25％，最优选的是0．25％。

优选的偶联剂在室温下应是一种液体。适宜的偶联剂包括有机官能硅烷，例如3—缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷。用于本发明的优选偶联剂是3—氨基丙基三乙氧基硅烷和3—甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷，它们在市场上可以由OSi Specialties of Witco得到，其商标分别为A—1100和A174。最好，有机官能硅烷的用量约为施胶组合物的0．10％至2．00％。

可用在本发明中的成膜剂包括是水基低分子量环氧乳剂的成膜剂。例如，一种合适的成膜剂例如为Owens—Coring制造的AD502的环氧乳剂。

在本发明中，也可利用一种或多种润滑剂。有用的润滑剂包括阳离子型或非离子型润滑剂。例如，合适的润滑剂包括汉高公司制造的MS—8；汉高公司制造的Trylube7607；以及GAF制造的PVP—K—90。

本发明的施胶剂的施加温度范围为大约60°F(16℃)至大约160°F(71℃)。优选地，施加温度范围为70°F(21℃)至100°F(38℃)；在一个特别优选的实施例中，在80°F(27℃)时施加所述施胶剂。最优选的施胶剂施加温度低于180°F(82℃)。

施胶剂可在粘度为50cps至1000cps时施加。优选的，在200cps至500cps的粘度范围内施加该施胶剂。在一个特别优选的实施例中，施胶剂在温度为27℃、粘度约为380cps的情况下被施加。以cps为单位所给出的粘度是用布洛克菲尔德回转式粘度计并采用No．31测杆测得的。

除了准备本发明的施胶剂所需的组分之外，还可以存在通常加入玻璃纤维施胶剂组成中的其它成分。例如，本发明的施胶组合物可含有抗静电剂，交联剂或硬化剂，抗氧剂，用于减少起毛和断丝的阳离子润滑剂，非离子型润滑剂，成核剂或少量颜料等。一种交联剂的一个例子是双硅烷。

本发明的施胶剂最好是在形成玻璃纤维时作为一种含有杂多糖的稀释的含水施胶组合物施加在这些玻璃纤维上，并且施加是在纤维被汇集在一起形成复丝丝束之前或者在使纤维与生产设备的任何部分接触从而有可能因摩擦而受损之前进行的。适宜的玻璃纤维是任何连续的玻璃纤维丝；例如可采用E，C和S型玻璃丝。用于施加稀释的施胶组合物的适当装置是公知的，并包括令纤维与辊、杆、带、裙板、衬垫等接触，浸沾施胶组合物，但是，一种特别优选的涂布器采用了如下的设备。

参照附图，图中大致地示出了一个用于形成玻璃纤维卷装的设备，所述纤维卷装没有渗移并且是由带有基本上均匀的施胶剂涂层的纤维构成的。图中所示的设备代表了用于实施本发明的优选技术和设备，它采用了来自口模套和纤维的热量作为干燥施加在玻璃纤维上的施胶剂的唯一能源。

参见附图，其中大致示出了一个口模套构件12，由其底板14排放出熔融玻璃并形成许多纤维16。口模套的底板14可以是“无喷嘴”的，也可包括更常用的靠近其底部的成纤喷嘴(未示出)。此外，可以看出，当采用喷嘴时，口模套12也可包括传统的片状冷却器(未示出)来冷却从口模套底部14喷出的玻璃。十分重要的是，可以看到，在附图中没有示出传统的预浸轧喷雾器(prepad sprays)。在实施本发明以阻止含水施胶剂的渗移时，预浸轧喷雾器通常是不适宜的。

根据传统作法，一个缠绕机20将从口模套底部14排出的玻璃拉细以形成纤维16。纤维16被聚集成股或丝束18。该丝束借助于一个横动机构22被缠绕在一个夹头24上，以形成最终的纤维卷装。可用任何传统的集束器26将扇形纤维16汇集成束。同时，以传统的方式使纤维16与旋转的圆柱形施胶剂涂布器28相接触。施胶剂涂布器28在一个装有施胶剂的槽(未示出)内转动。涂布器由一个安装在以适当的支承件32上的适当的驱动装置30旋转地驱动。涂布器28一般被封装在一个外壳34内并由外壳34可转动地支承。

为了在纤维被缠绕成卷装之前干燥纤维上的施胶剂，设有一个总的由标号36表示的热交换箱或干燥箱。箱36在位于涂布器28上方的一点处接收热空气，并在一段足够长的时间内保持热空气和纤维之间的密闭的热交换接触，使得被缠绕成卷装的纤维是干燥、无渗移的。因此，箱36延伸到涂布器28下方足够远的地方以便能实现这种干燥。一般要求延伸到涂布器28下方几英尺处，例如至少3英尺处。热交换箱可总的由用标号38标出的任何适当的结构支承件保持就位。热交换箱36可被看作包括三个部分，即，上部40，下部47和中间部分44，其中的每一个部分均以一种允许打开及易于接近纤维16和涂布器28的方式进行设计和支承。

上部40包括一个位于最上部的敞开的优选地大致为矩形的端部42，该端部位于被加热的口模套12的下方。一般说来，箱36的位于最上部的开口端部42最好配置在口模套底部14，即“无喷嘴”口模套的底面或当采用喷嘴时喷嘴的底部的下方约9英寸至约16英寸的地方。上部40通常从端部42向前并向下地延伸，它包括一个前表面41和一个向后延伸的侧面板46。上部40的最后面部分优选地由一个防护罩48限定。防护罩48包括一个平坦的倾斜的后表面50和向前延伸的侧面52。后表面50与前表面41彼此稍微会聚。防护罩48包括用于分别向前和向后移动防护罩的传统装置54。如附图中所示，防护罩48位于其操作的后部位置处。

此外，防护罩48的后表面50上具有一个排气口51，以允许一部分被抽入位于纤维后面的上部中的热空气从箱中排出，而不是和纤维一起通过热交换箱。优选的是，排气口51装有一个可调节的盖子，该盖子能使得排气口的尺寸和／或形状是可以被控制的。此外，通常优选的是，排气口和盖子相互配合地限定出一条通道，该通道的几何构形允许从纤维扇形体的中心区比从扇形体的边缘排出更多的空气。例如，适宜的通道构形可包括菱形、三角形和椭圆形开口。

箱36的中间部分或中部44大致从上部42向后并向下地延伸。中间部分44的前表面和侧面板基本上是上部40的前表面和侧面板的延伸部分。涂布器外壳34大致起着分别是上部40和中间部分44的后壁的一部分的作用，它是以下述方式布置和构造的，即，使涂布器与会聚纤维16的扇形体相接触。一般说来，涂布器28最好设置在距离口模套底部14大约20英寸(50．8cm)至大约30英寸(76．2cm)的地方。

与上部40和中间部分44相似，箱的下部47的横截面优选地为矩形。下部47沿纵向，即垂直方向被壁45分成两个纵向室，使纤维从中通过的干燥室56和空气导流室58。壁45在下部47上如此地取向以致其平的表面基本上平行于纤维扇形体的宽度并沿其侧边缘通过焊接或其它适当的方式安装在箱的侧面上。

因而，干燥室56沿周向围绕玻璃纤维16地设置。干燥室56的后壁60包括一条靠近其底部的排气通路62。设有用于从室内除去空气的装置，该装置包括一个安装在适当的气泵或吹风机(未示出)的负压侧的风道64。风道64和一个接头部分66流体连通，该接头部分66用于使风道64与室56内的内部形成流体连通。如果需要的话，可以在风道或接头上采用一个适当的滑动门(未示出)来控制气流。干燥室56的底部也可包括一个可移动的滑动门68，该滑动门用于控制纤维在流向集束器26的中途所通过的开口70。该滑动门也可用于协助控制被抽吸到上端42中的空气量。

在壁45的顶部上安装有调节风门43，它用于控制和纤维一起通过干燥室56的热空气量，或者指向空气导流室58。调节风门43沿壁45的顶部边缘可枢转地安装在壁45上，从而它可以转向纤维扇形体以使更多的热空气离开纤维而进入空气导流室，或者转向远离纤维的方向，以便使更多的热空气和纤维一起通过干燥室。调节风门43优选地具有延伸到箱36的壁之外的装置，以便调节可枢转的调节风门43的位置。优选地，所述调节装置安装有一个固定的止动器，以防止调节风门与纤维扇形体接触。此外，调节风门36的尺寸和位置优选地是，当它位于最接近纤维扇形体的地方时，其上边缘靠近施胶剂涂布辊，从而它与位于涂布辊上方的排气口相结合，有效地控制通过干燥室的热空气量。

空气导流室58的前表面57最好设有喷嘴或喷口49，这些喷嘴与一个水源(未示出)流体连通，用于向室内喷水，以冷却通过该室的空气。此外，空气导流室58的底部最好是敞开的，以便允许通过其中的空气排出并进入成纤环境中。

通常推荐，该设备具有如下所述的移动空气的能力，即，当玻璃生产量为每小时60磅(27．22kg)时，其移动空气的能力为50至200cfm，对于每小时200磅(25．18g／s)的玻璃生产量，其移动空气的能力大约为100至500cfm。但是对于产量从200磅每小时(25．18g／s)到大于300磅每小时(37．77g／s)的大型口模套而言，已经发现，由于在这种套筒的下方由空气所携带的巨大热量，高的气流速度可对施胶剂的施加产生负面影响。因而，本发明设备中的排气口和调节风门可以调整施胶剂涂布器周围及通过干燥室的气流，以增加向纤维上施加的施胶剂。

因此，根据本发明，将会清楚地看到，在车间内沿周向围绕口模套的周围空气在底壁14的下方流入箱36的上部开口端42。进入箱36内的过热空气可通过排气51被排出，并且／或者被调节风门43从纤维上转移开。余下的空气和纤维一起向下前进并通过干燥室56，然后在干燥室底部附近通过风道64排出。这样，含水施胶剂中的流体，不管是溶剂或者是在优选实施例中的水，被从纤维上蒸发掉并通过风道64排放出去。由缠绕在夹头24上的丝束18形成的卷装将是完全干燥的并且没有渗移问题。

例1

为本例制备下述施胶剂并将其标之以“A”。

A                              ％〔重量百分比或相对含量〕

AD502(环氧乳剂)              5．00％

Arctic Acid                  0．85

A174(硅烷)                   1．00

A1100(硅烷)                  0．25

MS—8(润滑剂)                1．00

Trylube 7607(润滑剂)         0．25

PVP—K—90(润滑剂)           0．25

去离子水                     91．40

在上述成分中，加入0．25％的Kelco K1A112杂多糖以制成配方“B”。

然后在不同温度下测量每种配方的粘度。当样品在该温度下放置了30分钟后，进行粘度测量。测量结果列于表Ⅰ中。表Ⅰ

配方                  A(无淀粉)      B(有0．25％的淀粉)

在不同室温下放置

30分钟后的粘度(cps)

100°F(38℃)             440              330

120°F(49℃)             360              323

140°F(60℃)             277              315

160°F(71℃)             168              312

180°F(82℃)             57               369

Claims (9)

1．一种在低于或等于180°F(82℃)的温度下施加的施胶组合物，包括：

(a)一种或多种杂糖，其含量从大约0．001％到大约3．0％；

(b)一种或多种树脂；

(c)一种或多种偶联剂；以及

(d)一种或多种润滑剂。

2．如权利要求1所述的施胶组合物，其特征为，所述杂多糖在很宽的温度范围内对热不敏感，并且是一种多糖胶。

3．如权利要求1所述施胶组合物，其特征为，所述多糖胶在低于或等于180°F(82℃)的温度下具有约200至500cps的粘度。

4．如权利要求1所述施胶组合物，其特征为，所述多杂糖的含量为从约0．05％至约0．5％。

5．如权利要求4所述的施胶组合物，其特征为，所述杂多糖的含量从约为0．05％至约0．25％。

6．如权利要求1所述的施胶组合物，其特征为，所述杂多糖在含水溶液中于大约80°F至低于或等于180°F(82℃)的温度范围内具有稳定的粘度。

7．一种用于改进在玻璃纤维上的施胶剂的涂层均匀性的方法，包括：

(a)向施胶组合物中加入其量约为0．001％至约3．0％的杂多糖；

(b)将包含所述杂多糖的施胶组合物施加在一个涂布器上；以及

(c)将所述施胶剂的温度保持在从约为室温到低于或等于180°F(82℃)的范围内。

8．如权利要求7所述方法，其特征为，所述杂多糖的含量约为0．25％。

9．如权利要求8所述的方法，其特征为，所述杂多糖是脱水鼠李糖胶。

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