CZ17966U1

CZ17966U1 - Material composition of high-strength part

Info

Publication number: CZ17966U1
Application number: CZ200718919U
Authority: CZ
Inventors: Princ@Zdenek
Original assignee: Princ@Zdenek
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2007-10-29

Description

Materiálové složení pevnostního díluMaterial composition of the strength part

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká materiálového složení pevnostního dílu, zejména dutého, určeného pro mechanické namáhání, přičemž pevnostní díl je tvořen kompozitním materiálem sestávajícím z matrice z umělé hmoty a z výztuže v podobě vláken.The invention relates to a material composition of a strength part, in particular a hollow part, intended for mechanical stress, wherein the strength part consists of a composite material consisting of a plastic matrix and fiber reinforcement.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Pevnostními díly se myslí součástky nebo i zcela dohotovené výrobky určené pro konečné uživatele, které jsou vystaveny mechanickému namáhání. Příkladem pevnostního dílu ve formě součástky je např. ozubené kolo, naproti tomu pevnostním dílem ve formě dohotoveného výrobku je např. vodácké pádlo. Tím, že pevnostní díly jsou vystaveny vnějšímu silovému působení, se odlišují od obalů, jejichž úkolem je chránit obsah před okolním prostředím, přičemž silové působení na obal je omezeno nanejvýš na síly od vlastní hmotnosti obsahu, chráněného obalem, případně od vlastní hmotnosti obalu, síly větru apod.By strength parts is meant components or even finished products intended for end users that are subjected to mechanical stress. An example of a strength component in the form of a component is, for example, a gear wheel, while a strength component in the form of a finished product is, for example, a paddle paddle. By subjecting the strength parts to external forces, they are distinguished from packaging whose purpose is to protect the contents from the environment, the force acting on the packaging being limited at most to forces from the tare weight of the contents protected by the packaging or the tare itself wind etc.

Je známo, že k výrobě pevnostních dílů i obalů se používají umělé hmoty. Též je známo, že hlavně k výrobě pevnostních dílů se používají tzv. kompozitní materiály. Kompozitní materiály jsou složeny z matrice z příslušné umělé hmoty a z výztuže nejčastěji v podobě vláken různého druhu.It is known that plastics are used to produce strength parts and packages. It is also known that so-called composite materials are mainly used to produce strength parts. The composite materials consist of a matrix of the relevant plastic and reinforcement, most often in the form of fibers of various kinds.

Pro výrobu pevnostních dílů se nejčastěji jako základní materiál pro matrici volí polyamid, případně polypropylen, případně se nepoužije kompozitní materiál s výztuží, nýbrž jen základní materiál. Z materiálů na této bázi lze pevnostní díl vyrobit výhradně vstřikováním. Jiné technologie, zejména vytlačování a vyfukováni jsou pro tento druh materiálu buď nepoužitelné, nebo použitelné jen se značným omezením. To je velká nevýhoda, stejně jako to, že polyamid i polypropylen ať jako základní materiál, tak i jako součást kompozitního materiálu ztrácejí za nízkých teplot houževnatost. Znamená to, že za nízkých teplot křehnou.For the production of strength parts, polyamide or polypropylene is most often chosen as the matrix base material, or a composite material with reinforcement is used, but only the base material. From this material, the strength part can only be produced by injection molding. Other technologies, in particular extrusion and blow molding, are either unusable for this type of material, or are usable only to a limited extent. This is a major disadvantage, as well as the fact that both the polyamide and the polypropylene, both as the base material and as part of the composite material, lose their toughness at low temperatures. This means they become brittle at low temperatures.

Dále je známo, že pevnostní díly lze zhotovit lisováním z lineárního vysokohustotního polyetylénu (HDPE), avšak s tím, že u značně namáhaných pevnostních dílů musí být uvnitř zaintegrován nosný prvek, uzpůsobený pro přenos zátěže. Tak např. u listů vodáckých pádel vyráběných lisováním z HDPE musí být v listu pádla umístěn nosný prvek tvořící páteř listu, např. v zápustce tvarovaná duralová trubka. Bez tohoto nosného prvku, majícího charakter výztuhy, není pádlo funkční, protože v důsledku nízké pevnosti v ohybu se při záběru ohýbá. Použitá duralová trubka sice tento nedostatek odstraňuje, avšak za cenu podstatného zvýšení hmotnosti pádla.Furthermore, it is known that the strength parts can be made by molding from high-density linear polyethylene (HDPE), but for heavily stressed strength parts, a load-bearing support element must be integrated inside. For example, for paddle paddle blades manufactured from HDPE pressing, a support element forming the backbone of the blade, for example a die-shaped dural tube, must be placed in the paddle blade. Without this support element having the character of a stiffener, the paddle is not functional because, due to its low flexural strength, it bends during engagement. Although the duralumin tube used eliminates this deficiency, it is at the expense of significantly increasing the weight of the paddle.

Jsou však známa i samonosná pádla, tj. bez výztužné trubky, ale s dutinou, která jsou vyráběna z kompozitních polyamidů pomocí vstřikování do forem a vytvoření odlehčovací dutiny vtlačením buď technologického plynu metodou GIT (gas injection technology) nebo technologické vody metodou WIT (water injection technology). Tato pádla, stejně jako obdobně zhotovené pevnostní díly se vyznačují vysokou cenou použitých materiálů a složitou technologií výroby. K těmto nevýhodám se přidružuje nevýhoda mnoha umělých hmot, že totiž při nízkých teplotách vykazují nepříznivé mechanické vlastnosti.However, there are also known self-supporting paddles, i.e. without a reinforcing tube but with a cavity which are made of composite polyamides by injection molding and relieving the cavity by injection of either GIT (gas injection technology) or WIT (water injection) process water. technology). These paddles as well as similarly made strength parts are characterized by high price of used materials and complex production technology. These disadvantages are associated with the disadvantage of many plastics that they exhibit unfavorable mechanical properties at low temperatures.

Z oblasti obalů, zejména z oblasti nápojových obalů a rovněž z oblasti umělohmotných hraček je známo, že tyto předměty se vyrábějí nejčastěji z polyetylénu (PE) nebo polyetyléntereftalátu (PET) vytlačením těstovitého parizonu a následným uzavřením do dutiny formy a vyfouknutím. Polyetylén je pro své mechanické vlastnosti vhodným materiálem pro výrobu obalů a nepříliš mechanicky namáhaných hraček a podobných předmětů, ale samotný se nehodí pro výrobu pevnostních dílů, což je zvlášť nevýhodné, protože výroba formou vyfukováním parizonu je produk45 tivní a ekonomicky výhodná (levné formy na výrobky zhotovené z AI slitin).It is known from the field of packaging, in particular from the field of beverage packaging, as well as from the field of plastic toys, that these articles are mostly made of polyethylene (PE) or polyethylene terephthalate (PET) by extruding a dough-like parisone and subsequently sealing it into the mold cavity and blowing. Polyethylene is due to its mechanical properties a suitable material for the production of packaging and not very mechanically stressed toys and similar items, but it is not suitable for the production of strength parts, which is particularly disadvantageous because production by blow molding is productive and economical. made of AI alloys).

- 1 CZ 17966 Ul- 1 CZ 17966 Ul

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedené nevýhody jsou značně zmenšeny pevnostním dílem, zejména dutým, určeným pro mechanické namáhání s materiálovým složením podle technického řešení. Pevnostní díl je tvořen kompozitním materiálem sestávajícím z matrice z umělé hmoty a z výztuže v podobě vláken.Said disadvantages are greatly reduced by the strength part, in particular the hollow part, intended for mechanical stress with the material composition according to the invention. The strength part consists of a composite material consisting of a plastic matrix and fiber reinforcement.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že matrice je tvořena polyetylénem a výztuž anorganickými vlákny v množství 3 až 30 % z celkového objemu kompozitního materiálu.The principle of the technical solution consists in that the matrix consists of polyethylene and reinforcement with inorganic fibers in the amount of 3 to 30% of the total volume of the composite material.

Kompozitním materiálem složeným z polyetylénu a organických vláken jsou překvapivě odstraněny nevýhody samotného polyetylénu, jimiž je nízký ohybový modul. Pevnostní díl z tohoto kompozitního materiálu je proto možno zatěžovat i na ohyb, a to bez jakékoliv patrné deformace, ío aniž je do pevnostního dílu nutno dát nosný prvek, resp. výztuhu. Vyrobený pevnostní díl je lehký, což je v některých případech důležitá vlastnost. Kompozitnímu materiálu sestávajícímu z polyetylénu a anorganických vláken zůstává původní výhodná vlastnost samotného polyetylénu vysoká pevnost taveniny, čímž je umožněno vytvořit parizon, který se zpracuje lisováním v obklopující jej formě za současného vyfukování. To je velice výhodné, protože k výrobě pevnost15 nich dílů je možno použít známé výrobní zařízení. K výhodám dále patří skutečnost, že cena základního materiálu, tj. polyetylénu, je podstatně nižší než je cena polyamidu. Základní materiál, tj. matrice z polyetylénu zajistí nejen dobrou zpracovatelnost vyfukováním, ale i odolnost pevnostního dílu vůči teplotám pod bodem mrazu.Surprisingly, a composite material composed of polyethylene and organic fibers eliminates the disadvantages of polyethylene itself, which is the low flexural modulus. Therefore, the strength part made of this composite material can also be bent-loaded without any appreciable deformation, without the need for a load-bearing element (s) in the strength part. reinforcement. The strength part produced is lightweight, which is an important feature in some cases. A composite material consisting of polyethylene and inorganic fibers retains the original advantageous property of polyethylene itself of high melt strength, thereby allowing the formation of a parison that is compressed in the surrounding mold by blow molding. This is very advantageous, since known manufacturing equipment can be used to produce the strength of the parts. Advantages further include the fact that the cost of the base material, i.e. polyethylene, is substantially lower than that of the polyamide. The base material, ie the polyethylene matrix, ensures not only good blow-moldability, but also resistance of the strength part to temperatures below freezing.

Obzvlášť příznivé mechanické vlastnosti pevnostní díl získá, jestliže matrice kompozitního mate20 riálu je tvořena lineárním vysokohustotním polyetylénem (HDPE).The strength component obtains particularly favorable mechanical properties when the matrix of the composite material is formed by linear high density polyethylene (HDPE).

Za účelem zvýšení vrubové houževnatosti je výhodné, je-li výztuž kompozitního materiálu tvořena sekanými karbonovými vlákny o délce 2 až 6 mm a jemnosti vlákna od 70 do 4000 tex.In order to increase the notch toughness, it is preferred that the reinforcement of the composite material consists of chopped carbon fibers with a length of 2 to 6 mm and a fiber fineness of from 70 to 4000 tex.

Příklad provedení technického řešeníExample of technical solution

Pevnostní díl, např. pádlo, je vytvořen z jediného výlisku kompozitního materiálu sestávajícího z matrice z umělé hmoty a z výztuže v podobě vláken. Matrice je tvořena polyetylénem, nejlépe lineárním vysokohustotním polyetylénem (HDPE). Výztuž je vytvořena anorganickými vlákny v množství 3 až 30 % z celkového objemu kompozitního materiálu. Vhodnou hmotou výztuže jsou sekaná karbonová vlákna, a to o délce 2 až 6 mm s optimální délkou 3 mm. Průměr karbonového vlákna by bylo možno uvést v μιη, ale jeho jemnost lépe vyjadřuje jednotka tex, která udává váhu 1 km karbonového vlákna v g. V daném příkladu provedení lze použít karbonové vlákno s hodnotou 7 až 4000 tex. Optimální poměr mezi matricí a výztuží je 10 objemových % karbonových vláken a 90 objemových % lineárního vysokohustotního polyetylénu.The strength component, e.g., a paddle, is formed from a single molding of a composite material consisting of a plastic matrix and fiber reinforcement. The matrix consists of polyethylene, preferably linear high density polyethylene (HDPE). The reinforcement is formed by inorganic fibers in an amount of 3 to 30% of the total volume of the composite material. A suitable reinforcement mass is chopped carbon fibers with a length of 2 to 6 mm and an optimum length of 3 mm. The diameter of the carbon fiber could be given in μιη, but its fineness is better expressed by the tex unit, which gives a weight of 1 km of carbon fiber in g. A carbon fiber of 7 to 4000 tex can be used in the example. The optimum ratio between the matrix and the reinforcement is 10% by volume of carbon fibers and 90% by volume of linear high density polyethylene.

Pevnostní díl o tomto materiálovém složení se vyrobí tak, že se nejprve smísí práškový polyetylén s anorganickými vlákny, tj. v daném případě s 10 objemovými % sekaných karbonových vláken o fyzikálních parametrech uvedených výše. Vytvořená sypká směs se roztaví při teplotě 235 °C až 265 °C do tekoucí konzistence. Roztavená směs se stlačí a její teplota se sníží na 150 °C až 170 °C. Vznikne těstovitá tavenina, ze které se následně vytlačí parizon s dutinou v podélném směru, tj. ve směru vytlačování. Parizon, tj. trubka z těstovité taveniny, která je vytlačena do prostoru, v němž volně ční, se obklopí formou s negativními obrysy pevnostního dílu.The strength component of this material composition is prepared by first mixing the polyethylene powder with the inorganic fibers, i.e. in the present case with 10% by volume of chopped carbon fibers having the physical parameters mentioned above. The formed bulk mixture is melted at a temperature of 235 ° C to 265 ° C to a flowing consistency. The molten mixture is compressed and its temperature is lowered to 150-170 ° C. A paste melt is formed from which the parison with the cavity is subsequently extruded in the longitudinal direction, i.e. in the extrusion direction. The parizon, i.e. a tube of dough-like melt that is extruded into the space in which it freely protrudes, is surrounded by a mold with negative contours of the strength part.

Do dutiny parizonu se vpustí plyn o tlaku větším, než je odpor těstovité taveniny parizonu proti deformaci. Vhodným plynem je kyslík, dusík nebo i jiný technický plyn. Plyn vytvoří tlak v dutině formy, kterým se parizon přitiskne na vnitřní stěny formy. Tím dojde k vykopírování tvaru a struktury povrchu formy na pevnostním díle. Po vychladnutí se pevnostní díl z formy vyjme.A gas at a pressure greater than the deformation resistance of the pasty melt of the parisone is injected into the parison cavity. Suitable gas is oxygen, nitrogen or other technical gas. The gas creates a pressure in the mold cavity by which the parison is pressed against the inner walls of the mold. This will copy the shape and texture of the mold surface on the strength part. After cooling, the strength part is removed from the mold.

Uvedené úkony se nejlépe provedou na známém vyfukovacím stroji, v jehož extruderu se jednak smísí práškový polyetylén s karbonovými vlákny a jednak se uvedená směs roztaví. Teplota je při postupu kompozitního materiálu vyfukovacím strojem řízena tak, že se z teploty okolí postupně zvýší na 250 °C (+-15 °C). Této teploty je dosaženo na konci šneku a v akumulátorovém zásobníku. V místě, kde kompozitní materiál vyfukovací stroj opouští, je teplota snížena naThese operations are best carried out on a known blow molding machine in which the extruder mixes powdered polyethylene with carbon fibers and melts the mixture. The temperature of the composite material is controlled by the blow molding machine so that it gradually increases from ambient temperature to 250 ° C (+ -15 ° C). This temperature is reached at the end of the screw and in the accumulator tank. At the point where the composite material leaves the blow molding machine, the temperature is reduced to

-2CZ 17966 Ul-2EN 17966 Ul

160 °C (+-10 °C). Ve výstupní hubici vyfukovacího stroje je vložen vnitřní tm, mezi nímž a výstupní hubicí se vytvoří parizon. Tloušťku vytlačovaného parizonu lze snadno regulovat velikostí mezery mezi výstupní hubicí a vnitřním trnem. Tímto způsobem lze snadno ovlivňovat tloušťku stěny výrobku, a tím i pevnost a hmotnost pevnostního dílu. Parizon vlastni pevností těstovité taveniny zůstane viset na výstupní hubici a vnitřním tmu. Z vnějších stran přijedou k parizonu dvě poloviny negativní formy, které začnou parizon lisovat. Zároveň se do dutiny parizonu začne vtlačovat tlakový plyn. Tlakový plyn obtiskne parizon do dutiny formy. Po vychladnutí a rozevření negativní formy se dohotovený pevnostní díl z negativní formy vyjme.160 ° C (+ 10 ° C). An inner darkness is interposed in the outlet nozzle of the blow molding machine, between which a parison is formed between the outlet nozzle. The thickness of the extruded parisone can be easily controlled by the size of the gap between the outlet nozzle and the inner mandrel. In this way, the wall thickness of the article and thus the strength and weight of the strength part can be easily influenced. Parizon's own strength of the dough melt remains hanging on the outlet nozzle and the inner darkness. From the outside, two halves of the negative form arrive at the parisone and begin to press the parisone. At the same time pressurized gas is injected into the cavity of the parison. The pressurized gas imprints the parison into the mold cavity. After the negative mold has cooled and opened, the finished strength part is removed from the negative mold.

Průmyslová využitelnost ío Materiálové složení pevnostního dílu podle technického řešení nalezne uplatnění u mechanicky namáhaných výrobků, které musí být lehké a uvnitř mohou nebo musí mít dutinu. Typickým výrobkem, pro nějž jsou materiálové složení i způsob výroby vhodné, je vodácké pádlo.Industrial Applicability The material composition of the strength component according to the invention finds application in mechanically stressed products which must be lightweight and may or may have a cavity inside. A typical product for which the material composition and method of manufacture are suitable is a paddle paddle.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

Material composition of a strength component, in particular a hollow part, intended for mechanical stressing, which composition is based on a composite material consisting of a plastic matrix and a fiber reinforcement, characterized in that the matrix is composed of polyethylene and a reinforcement of inorganic fibers in 3 to 30% of the total volume of the composite material.

Strength component material composition according to claim 1, characterized in that the matrix 20 consists of linear high-density polyethylene (HDPE).

Material composition of the strength component according to claim 1, characterized in that the reinforcement consists of chopped carbon fibers with a length of 2 to 6 mm and a fiber fineness of from 70 to 4000 tex.