CS273869B1

CS273869B1 - Method of fibres' surface treatment for composite materials with polymer matrix

Info

Publication number: CS273869B1
Application number: CS68289A
Authority: CS
Inventors: Karel Ing Csc Stoklasa; Frantisek Doc Ing Csc Tomis
Original assignee: Stoklasa Karel; Tomis Frantisek
Priority date: 1989-02-01
Filing date: 1989-02-01
Publication date: 1991-04-11
Also published as: CS68289A1

Abstract

At present, the fibres for composite materials are treated by e.g. impregnation by solutions of various polymers, impregnation by melts, depositing of polymer powder etc. All these methods have partial deficiencies that limit their application from the material or technological point of view. To eliminate this problem, the method of surface treatment of fibres with heat resistance above 300 degrees C is used. The principle of this solution lies in the fact that the pre-heated fibre is brought into contact with fusible agent in the solid state, to advantage in the form of powder, while the agent is melted by the heat that is contained in the fibre and forms a thin layer on the fibre surface. The fusible agent is a substance, especially of the polymer character, that washes the fibre, is affine against polymer matrix and has a melting temperature by 20 and 80 degrees lower than the melting temperature of polymer matrix of composite material. According to the invention, the main advantage of the method of surface treatment is its simplicity and versatility. It can be used especially with treatment of glass, aramide, carbon and other fibres for matrices based on polypropylene, polyamide, polycarbonate, polyimide, polyester etc.

Description

Vynález se týká způsobu povrchové úpravy vláken s tepelnou odolností nad 300 °C, určených pro přípravu kompozitních materiálů s polymerní matricí.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method of surface treatment of fibers having a heat resistance above 300 ° C for preparing composite materials with a polymer matrix.

Vlákna v kompozitních materiálech většinou příznivě ovlivňují jejich mechanické vlastnosti. Problémem je ovšem vytvoření takové přechodové fáze mezi matricí a vláknem, která by unadňovala přípravu kompozitu a popřípadě i zvyšovala odpor proti vzniku a růstu trhlin při mechanickém namáháni hotového kompozitu. Z tohoto důvodu se vlákna pro kompozitní materiály povrchově upravují různými způsoby.Fibers in composite materials usually favorably influence their mechanical properties. The problem, however, is to create a transition phase between the matrix and the fiber, which would compromise the preparation of the composite and possibly increase the resistance to the formation and growth of cracks under mechanical stress on the finished composite. For this reason, the fibers for the composite materials are surface treated in different ways.

Známý je například způsob povrchové úpravy vláken roztoky různých polymerů v závislosti na druhu vlákna a matrice. Nevýhodou tohoto způsobu je přítomnost rozpouštědel, která se musí po impregnaci vlákna odstraňovat - tím vznikají pochopitelně problémy, především ekologické.For example, a method of surface treatment of fibers with solutions of different polymers depending on the type of fiber and matrix is known. The disadvantage of this method is the presence of solvents, which must be removed after the impregnation of the fiber - this naturally raises problems, especially environmental problems.

Jiný způsob je založen na impregnaci vláken taveninami polymerů. Zde je problémem skutečnost, že používané polymery mají zpravidla vysoké teploty tání a vysoké viskozity, což se potom projevuje ve snížení produktivity práce a teplotně stabilizačním omezení.Another method is based on impregnating fibers with polymer melt. The problem here is that the polymers used generally have high melting points and high viscosities, which in turn results in a reduction in labor productivity and a temperature-stabilizing limitation.

Známý je také -způsob povrchové úpravy vláken práškovými polymery, u kterého je ale značným problémem dosažení potřebné adheze mezí částicemi práškového polymeru a vláknem při únosných výrobních rychlostech.Also known is a method of surface treatment of fibers with powdered polymers, but it is a considerable problem to achieve the necessary adhesion between the powdered polymer particles and the fiber at acceptable production speeds.

Další možností je potom použití dvousložkových reaktivních systémů, které je ale omezeno pouze na některé druhy laminátů, zejména termoreaktivního typu.Another possibility is the use of two-component reactive systems, which is, however, limited to only certain types of laminates, in particular of the thermoreactive type.

Výše uvedené nedostatky a omezení doposud známých způsobů povrchové úpravy vláken do značné míry odstraňuje způsob povrchové úpravy vláken pro kompozitní materiály podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že vlákno se předehřeje a potom se uvede do kontaktu s lehce tavitelným polymerním činidlem v tuhém skupenství, zejména ve formě prášku nebo kompaktního bloku, které se teplem obsaženým ve vlákně roztaví a vytvoří na povrchu vlákna tenkou vrstvu. Tavitelným činidlem je polymerní látka, která smáčí vlákno, současně je afinní vůči polymerní matrici a má teplotu tání o 20 až BO °C nižší, než je teplota tání polymerní matrice kompozitu.The above-mentioned drawbacks and limitations of the previously known fiber coating methods largely eliminate the fiber coating method for the composite materials of the invention. It is based on the fact that the fiber is preheated and then contacted with the meltable polymeric agent in a solid state, in particular in the form of a powder or compact block, which melts with the heat contained in the fiber and forms a thin layer on the fiber surface. The meltable agent is a polymeric material that wets the fiber, at the same time it is affinity to the polymer matrix and has a melting point 20 to BO ° C lower than the melting point of the polymer matrix of the composite.

Kontakt předehřátého vlákna s tavitelným polymerním činidlem je možno uskutečnit například průchodem vlákna přes zasypávací zónu, kde je prášek polymerního činidla na vlákno volně nasypáván, přičemž přebytek prášku, který neulpí na vlákně se odebírá a přivádí zpět na vstup zasypávací zóny. Jinou možností je vedení předehřátého vlákna fluidní zónou, kde je prášek polymerního činidla udržován ve vznosu a ulpívá na povrchu vlákna. Kontakt je možno realizovat také průvlakem vlákna kompaktním blokem polymerního činidla.Contact of the preheated fiber with the meltable polymeric agent can be accomplished, for example, by passing the fiber through a backfill zone where the polymeric agent powder is loosely poured onto the fiber, the excess powder not adhering to the fiber being removed and fed back to the backfill zone. Another possibility is to guide the preheated fiber through the fluid zone where the polymeric agent powder is held in the fluid and adheres to the fiber surface. Contact can also be made by passing the fiber through a compact block of polymeric agent.

Tloušťku vrstvy tavitelného činidla na vlákně je možno regulovat délkou kontaktu vlákna s činidlem, rychlostí odtahu a teplotou předehřevu vlákna. Po nanesení vrstvy se vlákno chladí a je možné jej dále zpracovávat. Může se zpracovávat ve větších (i nekonečných) délkách, sekat na střiž a podobně.The thickness of the fusible agent layer on the fiber can be controlled by the length of contact of the fiber with the agent, the withdrawal rate, and the preheat temperature of the fiber. After the coating has been applied, the fiber is cooled and can be further processed. It can be processed in larger (even infinite) lengths, chopped and similar.

Hlavní výhodou způsobu povrchové úpravy vláken podle vynálezu je především jeho jednoduchost a univerzálnost. Lze jej použít například při úpravě vláken skleněných, aramidových, uhlíkových i jiných pro matrice na bázi polypropylénu, polyamidu, polykarbonátu, polyimidu, polyesterů atd. při tom se získá upravené vlákno, které je po ochlazení nelepivé a dobře se s nim manipuluje. Při novém ohřevu se potom vrstva povrchové úpravy stane lepivou, což umožňuje ve srovnání s doposud známými způsoby snazší akceptování materiálu polymerní matrice a snížení spotřeby energie při přípravě směsi.The main advantage of the method of surface treatment of fibers according to the invention is above all its simplicity and universality. It can be used, for example, in the treatment of glass, aramid, carbon and other fibers for matrices based on polypropylene, polyamide, polycarbonate, polyimide, polyesters, etc. to obtain a treated fiber which is non-sticky and easy to handle after cooling. Upon re-heating, the surface treatment layer will become tacky, making it easier to accept polymer matrix material and reduce energy consumption when preparing the blend as compared to prior art methods.

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu slouží následující praktický příklad povrchové úpravy skleněných vláken pro polymerní kompozit s polypropylénovou matricí. Jako tavitelné činidlo se v tomto případě používá intenzívně odbouraný polypropylén, charakterizovaný teplotou tání 80 až 150 °C, který může být popřípadě chemicky modifikován dalšími látkami - například maleinanhydridem. Skleněná vlákna, pramence nebo nitě se předehřejí na teplotu 160 až 200 °C, potom se uvedou do kontaktu s výše specifikovaným intenzívně odCS 273869 Bl bouraným polypropylénem ve formě prášku. Prášek se při tom volně sype na předehřáté vlákno v zasypávací zóně. Přebytek prášku, který neulpí na vláknu, se odebírá a přivádí se zpět na Vstup zasypávací zóny. Polypropylén se na vlákně roztaví a vytvoří na jeho povrchu tenkou vrstvu, která po ochlazení není lepivá a umožňuje snadnou další manipulaci s povrchově upraveným vláknem - například navíjení na cívky, sekání na střiž, skaní, atd. Upravené vlákno se dobře snáší s polypropylénovou matricí a dává kompozity výborných vlastností .The following practical example of the surface treatment of glass fibers for a polymer composite with a polypropylene matrix serves to further elucidate the nature of the invention. Intensely degraded polypropylene, characterized by a melting point of 80 to 150 ° C, is used as a fusible agent in this case, which can optionally be chemically modified with other substances - for example maleic anhydride. The glass fibers, strands or yarns are preheated to a temperature of 160 to 200 ° C, then contacted with the above-specified intensified powdered polypropylene polypropylene as described above. The powder is freely poured onto the preheated fiber in the backfill zone. Excess powder that does not adhere to the fiber is withdrawn and fed back to the Inlet Zone. Polypropylene melts on the fiber to form a thin, non-sticky film on the fiber surface, allowing easy further handling of the treated fiber - such as spooling, chopping, twisting, etc. The treated fiber is well compatible with the polypropylene matrix and gives composites excellent properties.

Claims

A method of surface treatment of fibers having a heat resistance above 300 ° C for composite materials with a polymer matrix, characterized in that the fiber is preheated and then contacted with an easily meltable polymeric agent that wets the fiber while being affinity to the polymer matrix and having a melting point 20-80 ° C lower than the solid state melting point of the polymer matrix, especially in the form of a powder or compact block, the fiber with the resulting polymeric film layer is then cooled on the surface.

2. The method of claim 1 wherein the contact of the preheated fiber with the meltable polymeric agent is effected by passing the fiber through a backfill zone where the polymeric agent powder is loosely poured onto the fiber, the excess powder not adhering to the fiber being removed and fed back. to the inlet of the filling zone.

3. The method of claim 1, wherein the preheated fiber is contacted with the meltable polymeric agent by passing the fiber through a fluidized zone where the polymeric agent powder is held up and adheres to the fiber surface.

4. The method of claim 1, wherein the preheated fiber is contacted with the meltable polymeric agent by passing the fiber through a compact block of polymeric agent.

5. The process according to claim 1, wherein the low-melting polymeric agent is intensively degraded polypropylene, characterized by a melting point of 80 to 150 [deg.] C., optionally further chemically modified.

6. The method of claim 1, wherein the fiber is chopped after the surface of the melt has been formed.