DE10200462A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Produktion von Faser-Polymer-Verbunden - Google Patents

Description

• In den Fig. 1 bis 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung an einem Ausführungsbeispiel erläutert, wobei die folgenden Einzelheiten dargestellt werden:
  In der Ansicht gemäß Fig. 1 wird das Gewebe 1 abgerollt und über die Omega-Bremse 2 geführt. Von der Bremse, mit welcher die Linienspannung eingestellt werden kann, läuft das Gewebe in die Aufnadelzone 3 der Nadelbahn.
• In den Gelenken 4 der Nadelbahn erfolgt die Spreizung der Führungsschienen, damit im Ofen 5 der biaxiale Zug auf das Material erfolgen kann. Die einzelnen Nadelwagen werden in den Führungsschienen hochgeschoben, um dann über den Rücklauf 6 zur Aufnadelzone zu gelangen.
• Hiernach trifft das verdichtete Material auf die Nachverdichtungsrollen 7.
• Gezogen wird das Material von dem teilbaren Abzug 8. Nach dem Kantenschnitt läuft das Material in den Kalander 9, um dann auf dem Wickler 10 aufgerollt zu werden.
• Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch den Ofen 5. Hier sind die verschiedenen Sektionen zu erkennen, insbesondere die Randsektion 11. Über die Schotte 16 können unbenutzte Teile des Ofens abgetrennt werden, um die dann im Ofen verlaufenden Nadelbahn 12 nicht zu übertemperieren.
• Die Fig. 3 zeigt eine Vergrößerung der Führungsschiene 12, wobei der Nadelwagen 14 in der Führungsschiene 13 verläuft. Am Nadelwagen befindet sich auch die Nadel 15. Hierauf wird das Gewebe aufgenadelt.
Stand der Technik
• Bekannt sind Kombinationen von z. B. Polyester/PVC oder Glas/PTFE, die als geschlossene Gewebe für Zelte und Dachkonstruktionen im Einsatz sind. Diese werden hergestellt in dem zuerst die jeweiligen Gewebe hergestellt werden und diese dann mit Kunststoff- Folien oder Polymer-Pasten zu einer Einheit verdichtet werden. Dies kann ein Laminierverfahren sein oder eine Beschichtung mittels Emulsionen, wobei diese durch Erhitzung mit dem Gewebe verbunden werden.
• Auch bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von armierten Folien und ein Verfahren zur Produktion von Gewebe-Polyme-Verbunden. Bei diesem Verfahren werden einzelne Fasern oder Faserbündel mit einem Kunststoffmantel versehen und dann auf Kalandern verpresst. Das so entstandene Material ist dann ein quasi beschichtetes Gewebe.
Probleme
• Die herkömmlichen Verfahren sind kostspielig und kompliziert. Bei allen Produktionsgängen entstehen Probleme und Ausschuss. Der Webvorgang ist aufwendig, insbesondere wenn Fäden von geringem Durchmesser eingesetzt werden. Auch werden die Garne beim Webvorgang sehr stark strapaziert, so dass Festigkeit verloren geht. Speziell bei Glasfasern brechen viele einzelne Filamente beim Schusseintrag. In den Kreuzungspunkten scheuern die Fasern aufeinander wobei bei sehr straff eingestellten Tüchern weitere Festigkeitsverluste in Kauf genommen werden müssen. Auch sonstige Webschwierigkeiten, die sich aus der Fasrigkeit der Fäden ergeben, können durch eine Ummantelung der Fasern vermieden werden.
• Werden aber schon ummantelte Fäden eingesetzt, dann führt die Verpressung des Gewebes zu Ausbeulungen und einer unkontrollierten Gewebestruktur nachdem das Polymer während des Verpressungsvorgangs z. B. thermisch verflüssigt wurde. Da die Führung des Gewebes nur in Kettrichtung erfolgt, sind auch nur die Fasern in dieser Richtung gerade. Die Fasern, die jedoch in Schussrichtung verlaufen legen sich wellenförmig in die Materialebene. Hierbei entspricht die Amplitude der Welligkeit der Mantelstärke des Polymers. Aus diesem Grunde kann ein solches Material für Anwendungen im textilen Bauen nicht eingesetzt werden.
Problemlösung
• Beliebige Fasern werden mit für den Einsatzzweck optimal ausgesuchten Thermoplasten umhüllt und dann verwebt. Hierbei ist eine enorme Kombinationsbreite gegeben. Das so entstandene Gewebe aus ummantelten Fasern oder Bändchen kann aber nur dann in gebrauchstüchtige Membranen umgesetzt werden, wenn dieses bei der Verflüssigung des Kunststoffmantels biaxial gespannt und geführt wird.
• Der Faser-Polymer-Verbund
• Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden gebrauchstüchtige Membranen und Planen dadurch erreicht, dass Fasern oder Faserbündel mit dem gewünschten Polymer ummantelt werden und dadurch verwebfähige Fäden entsteht. Diese Fäden werden dann verwebt und anschließend in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdichtet und zu einer geschlossen Plane resp. Membranen umgeformt.
• Je nach gewünschter Festigkeit können auch eine Anzahl von Fasern parallel verlaufend durch einen Extruder geführt werden. Diese Fasern werden so mit einem Polymer verbunden, dass eine Streifen entsteht.
• Die Fasern werden damit komplett umhüllt. Selbst bei schwer zu extrudierenden Polymeren lassen sich solche Streifen gut herstellen, wenn die Fäden entsprechen präpariert werden.
• Eine solche Präparation ist natürlich auch bei der Herstellung von einzeln ummantelten Fasern sinnvoll.
• Dies geschieht in idealer Weise dadurch, dass die eingesetzten Fasern vor der Extrusion mit einer Emulsion des gleichen Kunststoffs getränkt werden. Nach der Trocknung werden diese dann vor der Ummantelung auf eine Temperatur erhitzt, die ungefähr dem aus der Extruderdüse austretendem Kunststoff entspricht.
• Hierdurch wird nicht nur der Verbund zum Kunststoff verbessert und sondern auch der im Inneren der Faser befindliche Kunststoff geschmolzen. Hierdurch kann ein Verbund zwischen der Ummantelung und dem im Inneren der Faser befindlichen Kunststoff geschehen, wodurch die Haftung optimiert wird.
• Um eine komplett Ummantelung aller Fasern sicherzustellen, sollten bei mehreren parallel laufenden Fasern einerseits alle Fasern streng nebeneinander verlaufen und andererseits die Düse des Extruders so konstruiert sein, daß eine komplette Ummantelung sichergestellt ist.
• Die einzelnen Fasern werden nur dann sicher umhüllt, wenn der Kunststoff auch zwischen die Fasern gelangen kann. Auch dürfen die Fasern nicht übereinander verlaufen.
• Die so entstandenen Fäden oder Bändchen werden auf üblichen Webmaschinen verwebt und dann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdichtet.
• Dies geschieht in der Weise, dass das Gewebe einer Spannkette zugeführt wird. Hierin wird das Gewebe beidseitig aufgenadelt. Im Gegensatz zu üblichen Spannrahmen handelt es sich hier aber um eine neuartige, erfindungsgemäße Nadelkette. Diese besteht aus einer Vielzahl unabhängiger Nadelwagen, die in der Führungsschiene frei laufen können. Durch eine geeignete Rückführungseinrichtung wird sichergestellt, dass beim Einlauf des Gewebes die Nadelwagen dicht an dicht liegen und damit eine lückenlose Aufnadelung des Gewebes möglich ist.
• Eine solche Rückführung der Nadelwagen kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Eine mögliche Ausprägung ist das Rückrollen über hochlaufende Führungsschienen. Nachdem das fertig verdichtete Material aus den Nadelwagen herausgehoben wurde, laufen die Nadelwagen in der folgenden Führungsschiene aufwärts, wobei sie von den jeweils nachfolgenden hochgetrieben werden. Sobald der Hochpunkt der Führungsschiene erreicht wird, läuft dann der Nadelwagen der Schwerkraft gehorchend auf die Einlaufzone zu und bietet dort den Nachschub für die benutzten Nadelwagen in der Aufnadelzone.
• Das Gewebe läuft nach der Aufnadelung in eine Ofensektion, in welcher das Polymer der Fäden oder Bändchen aufgeschmolzen wird.
• Die Führungsschiene der Nadelwagen wird dann in Gelenkbereichen mit z. B. Spindelmotoren mit einer vorgegeben Kraft auseinander gezogen, indem die Führungsschienen entsprechend auseinander laufen.
• Die Zugspannung im Gewebe erfolgt über einen mehrfach geteilten Abzug nach der Ofensektion. Alleine über diesen Abzug erfolgt die Bewegung des Gewebes in Laufrichtung. Hierdurch werden als Folge die Nadelwagen einerseits in Laufrichtung gezogen andererseits auch entsprechend dem Spreizwinkel der Führungsschienen zur Seite, womit die biaxialen Kräfte auf des Gewebe wirken.
• Mit der Plastifizierung des Polymers laufen nun die Fasern in den Gewebskreuzungen aufeinander zu, wodurch es zur Verlängerung des Gewebes sowohl in Laufrichtung (Kettrichtung) als auch in Querrichtung (Schussrichtung) kommt. Beiden Streckungen können die Nadelwagen folgen. In Laufrichtung in der Weise, dass sie sich voneinander bewegen und entsprechende Lücken zwischen den Nadelwagen entstehen und in der Querrichtung indem sie den auseinanderlaufenden Führungsschienen folgen.
• Die Spannung in Kettrichtung erfolgt über den Abzug und in Schussrichtung über eine Regelung der Spindelmotore, welche die Spreizung der Führungsschienen einstellen.
• Der Ofen besteht aus IR Strahlern, welche die notwendige Temperatur zur Aufschmelzung der Polymer erzeugen. Hierbei wird eine Sektionierung parallel zur Laufrichtung vorgenommen, um dem zu den seitlichen Außenbereichen auftretenden Temperaturabfall entgegenwirken zu können.
• Vorzugsweise werden die IR Strahler aus Edelstahlstreifen hergestellt, die dann durch den einstellbaren Stromfluss beliebig hoch aufgeheizt werden können. Über die Temperatur der Edelstahlstreifen kann die IR Strahlung auf den optimalen Wert für das Polymer oder das Fasermaterial eingestellt werden. Bei einem Fluorpolymer Glas Verbund wird hauptsächlich auf die Absorption des Glases eingestellt d. h. auf ein Emissionsmaximum bei der Wellenlänge von 3 µm entsprechend ca. 600°C des Edelstahlstreifens.
• Erfindungsgemäß wird auch ein teilbarer Abzug eingesetzt, um einerseits den Schussbogen des Gewebes bei der Verdichtung zu kontrollieren und andererseits um der höheren Bremskraft der Seitenbereiche auf Grund der Spreizung der Führungsbahnen entgegenwirken zu können.
• Zur Nachverdichtung können entsprechende Rollen vorgesehen werden, die den noch plastischen Kunststoff nach dem Austritt aus dem Ofen nach hinten schieben, womit eventuell noch vorhandene Lücken geschlossen werden können.
• Bei Kunststoffen, die zur Kristallisation neigen, können die Nachverdichter gekühlt werden, womit das Polymer durch die Kühlungsschock hinreichend transparent gehalten werden kann.
• Nach dem teilbaren Abzug ist dann sinnvollerweise ein Kantenbeschnitt vorzusehen, bevor das Material in den Kalander läuft.
• Dieser sollte bei Glasgeweben mit einem einstellbaren Spalt versehen sein, um zu verhindern, dass die Glasfasern in den Kreuzungspunkten durch den Kalanderdruck verletzt werden.
• Mit dem Kalander kann dann, wenn diese temperiert werden können, auch die Oberfläche optimiert werden oder mit einem Muster versehen werden. Wird nur auf einer Kalanderwalze geheizt, dann lässt sich der Kunststoff auch zu dieser Seite hinbewegt werden.

Claims (10)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Produktion eines Faser-Polymer-Verbundes dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewebe aus ummantelten Fasern mit einem teilbaren Abzug in einem Ofen während des Durchlaufs biaxial gespannt wird und dadurch das aufgeschmolzene Polymer aus den Kreuzungspunkten des Gewebes gepresst wird und zur Verdichtung des Material zur Verfügung steht.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe auf frei in einer Führungsschiene laufenden Nadelwagen aufgenadelt wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass frei beweglichen Nadelwagen über eine Rückführeinrichtung zur Aufnadelzone gebracht werden.

4. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführeinrichtung durch eine hochgeführte Führungsschiene gebildet wird, in welcher die Nadelwagen durch die Schwerkraft getrieben nach unten zurücklaufen können.

5. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Material nach dem Ofendurchgang auf Nachverdichterrollen trifft, die je nach Notwendigkeit gekühlt oder temperiert werden können.

6. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Material über einen teilbaren Abzug gezogen wird, wobei die Linienspannung über eine Bremsvorrichtung eingestellt werden kann.

7. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachbehandlung mit einem Kalander durchgeführt wird, dessen Walzen unterschiedlich temperiert oder gekühlt werden können.

8. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen in Längssektionen aufgeteilt ist und die Nadelbahnen mit Schotten thermisch geschützt werden können.

9. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelbahn mit mehreren Gelenken versehen ist.

10. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelbahn in den Gelenken mit Spindelmotoren gespreizt oder zusammengeführt werden können, wobei das Drehmoment der Spindelmotore einstellbar sein soll.