DE1778781B2

DE1778781B2 - Process for the manufacture of reinforced thermoplastic articles

Info

Publication number: DE1778781B2
Application number: DE19681778781
Authority: DE
Inventors: John Howard Hertford Davis (Großbritannien)
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1967-06-02
Filing date: 1968-06-04
Publication date: 1972-11-02
Also published as: FR1567610A; GB1200342A; DE1778781A1

Description

Verstärkte thermoplastische Gegenstände werden im allgemeinen dadurch hergestellt, daß man ein faserförmigcs Verstärkungsmaterial und ein thermoplastisches Material, welches die Matrix bilden soll, beispielsweise auf einer Zweiwalzenmühle oder in einem Extruder knetet und dann das erhaltene Walzfell oder Extrudat in Granalien zerkleinert, die anschließend zur Herstellung der gewünschten Gegenstände verformt werden. Ein Nachteil dieser Art von Verfahren liegt darin, daß die Fasern während des Knetens leicht zerbrechen und es aus diesem Grunde nicht möglich ist, Gegenstände, die lange Fasern enthalten, herzustellen. Weiterhin ist der Faseranteil, der eingearbeitet werden kann, bei diesen Verfahren beschränkt, da die Fasern die Fließfähigkeit des thermoplastischen Matrixmaterials herabsetzen.Reinforced thermoplastic articles are generally made by having a fibrous reinforcement material and a thermoplastic material which is to form the matrix, kneading for example on a two-roll mill or in an extruder and then kneading the rolled sheet obtained or extrudate crushed into granules, which are then used to manufacture the desired objects be deformed. A disadvantage of this type of method is that the fibers during the Kneading breaks easily and for this reason it is not possible to use objects that contain long fibers contain to manufacture. Furthermore, the amount of fiber that can be incorporated is in these processes limited, as the fibers reduce the flowability of the thermoplastic matrix material.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten thermoplastischen Gegenständen zu schaffen, bei welchem die Fasern nicht zerbrochen werden.The present invention is based on the object to provide a method of making reinforced thermoplastic articles in which the fibers are not broken.

So wird also gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten thermoplastischen Gegenständen aus einem höher schmelzenden faserförmigen Verstärkungsmaterial und einer niedriger schmelzenden thermoplastischen Kunststoffmatrix durch Mischen von teilchenförmigen! thermoplastischen Kunststoff mit dem faserförmigen Verstärkungsmaterial und Erhitzen des Gemischs unter Druckanwendung auf eine zwischen den Schmelzpunkten der beiden Komponenten liegende Temperatur vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als teilchenförmiger thermoplastischer Kunststoff thermoplastische Kunststoffasern in einer Menge von 2,5 bis 75 Voi.-Teilen je 100 Vol.-Teile Fasergemisch verwendet werden.Thus, according to the invention, there is a method of making reinforced thermoplastic Articles made of a higher melting fibrous reinforcement material and a lower one melting thermoplastic plastic matrix by mixing particulate! thermoplastic Plastic with the fibrous reinforcing material and heating the mixture underneath Application of pressure to a temperature between the melting points of the two components proposed, which is characterized in that as particulate thermoplastic thermoplastic synthetic fibers in an amount from 2.5 to 75 parts by volume per 100 parts by volume of fiber mixture used will.

Beispiele für geeignete thermoplastische Kunststofffasern für die Herstellung der Matrix sind solche aus Polypropylen, Polyäthylen, Polymeren und Mischpolymeren von Vinylchlorid, Polyäthylenterephthalat, Polymeren und Mischpolymeren von Acrylnitril und den verschiedenen Polyamiden. Das faserföraiige Verstärkungsmaterial kann ebenfalls aus solchen Materialien oder einem mineralischen Fasermaterial, wie z. B. aus Glasfasern oder Asbestfasern, bestehen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren können auch Metallfasern, Kohlenstoffasern oder dünne Drähte verwendet werden.Examples of suitable thermoplastic synthetic fibers for the production of the matrix are those from Polypropylene, polyethylene, polymers and copolymers of vinyl chloride, polyethylene terephthalate, Polymers and copolymers of acrylonitrile and the various polyamides. The fibrous reinforcement material can also be made of such materials or a mineral fiber material such as z. B. made of glass fibers or asbestos fibers. At the Methods according to the invention can also use metal fibers, carbon fibers or thin wires will.

Wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren das Fasergemisch unter Druck erhitzt wird, dann zerflteßen die thermoplastischen Kunststoffasern und bilden eine Matrix, die das faserförmige Verstärkungsmaterial in sich einschließt. Gegebenenfalls kann das faserförmige Verstärkungsmaterial vorher beschichtet werden, um dadurch die Haftung an dem niedriger schmelzenden thermoplastischen Matrixmaterial zu erhöhen. Wenn ein gleichmäßig verstärktes Produkt erhalten werden soll, dann müssen die beiden faserförmigen Materialien innig gemischt werden, bevor das Gemisch erhitzt und unter Druck gesetzt wird ao Der nötige Mischungsgrad kann dadurch erhalten werden, daß man die Fasern durch in der Textilindustrie allgemein bekannte Techniken, wie z. B. Kardieren, mischt. Es können auch Verfahren, die in der Papierherstellung allgemein bekannt sind, verwendet weras den. Zum Beispiel kann eine Aufschlämmung der Fasern in Wasser oder in einer anderen inerten Flüssigkeit zwecks Mischung der Fasern gerührt werden, worauf dann die Mischung anschließend gesiebt und der resultierende Kuchen getrocknet wird. Eine dritte Methode zur Herstellung eines Fasergemischs, welche besonders fur die Herstellung einer Mischung aus zwei thermoplastischen Fasern geeignet ist, besteht darin, die beiden Materialien gleichzeitig zu extrudieren, so daß die Extrudate sich vermischen. Das Fasergemisch kann in jeder geeigneten Weise erhitzt und gepreßt werden. Beispielsweise kann es zwischen zwei Druckwalzen hindurchgeführt werden, die auf eine Temperatur zwischen den Schmelzpunkten der beiden Materialien erhitzt sind. In zweckmäßiger Weise wird das Material durch eine Reihe von Druckwalzen hindurchgeführt, wie z. B. durch Kalander, die denen ähnlich sind, die bei der Herstellung von • Metallblechen verwendet werden. Weiterhin kann das Gemisch auch in einer Presse verdichtet und erhitzt werden. Wenn die Presse flach ist, dann wird ein folien- bzw. tafelförmiges Material erhalten. Es ist auch möglich, die obere und die untere Oberfläche der Presse in geeigneter Weise zu formen, so daß beim Pressen des Gemischs dieses der Form folgt, wobei ein Gegenstand mit einer entsprechenden Form gebildet wird. Beispielsweise können bei Verwendung geeigneter Formen gewellte Platten oder kuppeiförmige Gegenstände hergestellt werden.If, in the process according to the invention, the fiber mixture is heated under pressure, then melted the thermoplastic synthetic fibers and form a matrix, which is the fibrous reinforcing material includes in itself. If necessary, the fibrous reinforcement material can be coated beforehand, in order to thereby increase the adhesion to the lower melting thermoplastic matrix material. If a uniformly reinforced product is to be obtained, then the two must be fibrous Materials are intimately mixed before the mixture is heated and pressurized ao The necessary degree of mixing can be obtained by making the fibers through in the textile industry well-known techniques such. B. Carding, mixes. There can also be processes that are used in papermaking are generally known, weras used. For example, a slurry of the Fibers are stirred in water or another inert liquid to mix the fibers, after which the mixture is subsequently sieved and the resulting cake dried. A third Method for the preparation of a fiber mixture, which is especially suitable for the preparation of a mixture of two thermoplastic fibers is suitable is to extrude the two materials at the same time, so that the extrudates mix. The fiber mixture can be used in any suitable manner be heated and pressed. For example, it can be passed between two pressure rollers, heated to a temperature between the melting points of the two materials. In more expedient Way, the material is passed through a series of pressure rollers, such as. B. by calender, which are similar to those used in the manufacture of • sheet metal. Furthermore, this can Mixture can also be compressed and heated in a press. If the press is flat then it will be a obtained film or tabular material. It is also possible to use the top and bottom surfaces of the To shape the press in a suitable manner so that when the mixture is pressed, it follows the shape, wherein an article with a corresponding shape is formed. For example, when using more suitable Forms corrugated sheets or dome-shaped objects are made.

Eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Folie oder Platte kann auch wieder erhitzt und durch ein geeignet geformtes Werkzeug verformt werden, um den gewünschten Gegenstand herzustellen. Das bevorzugte Verhältnis von Verstärkungsfasern zu Matrixfasern im Gemisch hängt von der Natur der faserförmigen Materialien und der Natur des herzustellenden Gegenstandes ab. Je höher der Prozentsatz an Verstärkungsfasern im fertigen Gegenstand ist, desto größer ist auch seine Festigkeit. Jedoch wird die maximale Menge an Verstärkungsfasern, welche anwesend sein kann, durch die Fließeigenschafien bestimmt, die das Fasergemisch beim Pressen Und Erhitzen haben muß, da hierfür eine Mindestmenge an Matrixfasern erforderlich ist.A film or plate produced by the method according to the invention can also be reheated and deformed by a suitably shaped tool in order to produce the desired object. The preferred ratio of reinforcing fibers to matrix fibers in the mixture depends on the nature of the fibrous materials and the nature of the article to be manufactured. The higher the percentage of reinforcing fibers in the finished article, the greater its strength. However, the maximum amount of reinforcing fibers that can be present is determined by the flow properties that the fiber mixture must have during pressing and heating, since this requires a minimum amount of matrix fibers.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.The invention is illustrated in more detail by the following examples.

example 1

2.04 kg extrudierte Polypropylenfasern mit einem Titer von 3 den wurden auf eine Länge von 38,1 mm geschnitten, und 2,49 kg extrudierte und verstreckte Polyäthylenterephthalatfasern mit einem Titer von2.04 kg of extruded polypropylene fibers with a titer 3 den were cut to a length of 38.1 mm, and 2.49 kg extruded and drawn Polyethylene terephthalate fibers with a denier of

1.5 den wurden auf die gleiche Länge geschnitten. Diese beiden Fasermassen wurden grob miteinander in einem Trichter gemischt und einer Kardiermaschine zugeführt, welche eine 50,8 mm dicke Wattebahn aus gut gemischten Fasern herstellte. Diese Wattebahn wurde durch eine Benadelungsmaschine hindurchgeführt, um sie auf eine Dicke von 3,2 mm zu verdichten. Aus der resultierenden Bahn wurden 8 Stücke mit einem Durchmesser von 152,4 mm herausgeschnitten, welche zwischen der Matrize und der Patrize eines metallenen Verformungswerkzeugs bei 220° C übereinandergelegt wurden. Das Werk- ao zeug wurde geschlossen und 5 Minuten bei einem Druck von 14 kg/cm² geschlossen gehalten, worauf der Druck auf 70 kg/cm² erhöht und die Form in 3 Minuten auf 40° C abgekühlt wurde. Die Presse wurde dann geöffnet, und das Preßstück wurde entnommen. Das Preßstück entsprach dem Hohlraum des Werkzeugs. Das Polypropylen in der Wattebahn war geschmolzen und um die Polyäthylenterephthalatfasern geflossen. Durch das anschließende Verfestigen war ein Gegenstand aus mit Polyäthylenterephthalat verstärktem Polypropylen entstanden, der ein ansprechendes Oberflächenaussehen besaß. Die Zugfestigkeit betrug 560 kg/cm² und der Biegemodul 2,45x10" kg/cm².1.5 den were cut to the same length. These two fiber masses were roughly mixed with one another in a funnel and fed to a carding machine, which produced a 50.8 mm thick cotton web from well mixed fibers. This wad of cotton wool was passed through a needling machine to compact it to a thickness of 3.2 mm. 8 pieces with a diameter of 152.4 mm were cut out of the resulting web and placed one on top of the other between the die and the male mold of a metal forming tool at 220.degree. The tool was closed and kept closed for 5 minutes at a pressure of 14 kg / cm ² , whereupon the pressure was increased to 70 kg / cm ² and the mold was cooled to 40 ° C. in 3 minutes. The press was then opened and the die removed. The pressing corresponded to the cavity of the tool. The polypropylene in the wad had melted and flowed around the polyethylene terephthalate fibers. The subsequent solidification resulted in an article made of polypropylene reinforced with polyethylene terephthalate, which had an attractive surface appearance. The tensile strength was 560 kg / cm ² and the flexural modulus was 2.45x10 "kg / cm ² .

Example 2

20 g Asbestfasern und 40 g Nylonfasern mit einem Titer von 3 den, welche auf eine Länge von 12,7 mm geschnitten waren, wurden in 250 cm Wasser eingebracht, und das Gemisch wurde 1 Minute mit einem Schaufelrührer bewegt. Die wäßrige Aufschlämmung wurde filtriert, und der resultierende Kuchen wurde 6 Stunden bei 130° C in einem Vakuumofen getrocknet. Der Kuchen wurde dann in eine Presse zwischen flache erhitzte Platten eingebracht, welche 5 Minuten auf 280° C gehalten und wurden dann in weiteren 5 Minuten auf 40° C abgekühlt wurden. Dabei wurden die gleichen Drücke wie in Beispiel 1 verwendet. Anschließend wurde das Preßteil entnommen. Es wurde eine Platte von 127,0 mm im Quadrat erhalten, welche aus Asbestfasern bestand, die gut in einer Nylonmatrix verteilt waren.20 g of asbestos fibers and 40 g of nylon fibers with a titer of 3 denier, extending over a length of 12.7 mm were placed in 250 cm of water, and the mixture was used for 1 minute moved by a paddle stirrer. The aqueous slurry was filtered and the resulting cake was dried in a vacuum oven at 130 ° C for 6 hours. The cake was then placed in a press placed between flat heated plates, which were held at 280 ° C for 5 minutes, and were then placed in were cooled to 40 ° C. for a further 5 minutes. The same pressures were used as in Example 1 used. The pressed part was then removed. A plate of 127.0 mm in Obtained square, which consisted of asbestos fibers well distributed in a nylon matrix.

Example 3

20 g schwarze Kohlenstoffasem von 152,4 mm Länge und einem Durchmesser von 0,076 mm wurden von Hand mit 50 g 152,4 mm langen, weißen PoIyäthylenterephthalatfasern gemischt, und zwar durch ein öffnungsverfahren, um die Fasern zu trennen, worauf die Fasern wieder gemischt wurden. Der Mischungsgrad konnte durch die Mischung der beiden Farben bestimmt werden. Die gemischten Fasern wurden dann in den Hohlraum einer Form eingebracht und dem folgenden Preßzyklus unterworfen. Die Form wurde auf 290° C erhitzt und mit Hilfe eines Stempels von 101,6 mm im Quadrat unter einen Druck von 5,08 t versetzt. Der Druck wurde auf 20,32 t erhöht, und das Werkzeug wurde vor dem öffnen auf 40° C abgekühlt, worauf das Preßteil entnommen wurde, welches aus einer kleinen Platte bestand, die sich aus einer Matrix aus Polyäthylenterephthalat und Kohlenstoffverstärkungsfasern zusammensetzte. 20 g of black carbon fiber 152.4 mm long and 0.076 mm in diameter were obtained by hand with 50 g of 152.4 mm long, white polyethylene terephthalate fibers mixed by an opening process to separate the fibers, whereupon the fibers were mixed again. The degree of mixing could be achieved by mixing the two Colors are determined. The mixed fibers were then placed in the cavity of a mold and subjected to the following press cycle. The mold was heated to 290 ° C and using a The 101.6 mm square punch was placed under a pressure of 5.08 t. The pressure was on 20.32 t, and the tool was cooled to 40 ° C before opening, whereupon the pressed part was taken, which consisted of a small plate made of a matrix of polyethylene terephthalate and composed of carbon reinforcing fibers.

Example 4

50 g Nylonfasern von 25,4 mm Länge wurden in einem Mischer mit am Boden schnell umlaufendem Rührwerkzeug mit 50 g Glasfasern von 10 μ Durchmesser und 6,35mm Länge gemischt. Die resultierende flaumige Fasermasse wurde zwischen Platten einer auf 290° C erhitzten Presse verformt, wobei der Preßzyklus wie in Beispiel 3 war, worauf die Platten in 5 Minuten auf 40° C abgekühlt wurden. Die rusultierende Platte war gut verdichtet und hatte gute Zugeigenschaften, obwohl das Aussehen nicht so gut war, wie es in den vorhergehenden Beispielen erhalten wurde, da die Glasfasern eine Neigung zur Agglomeration zeigten, weil nämlich das anfängliche Mischen nicht ausreichend intensiv war.50 grams of nylon fibers 25.4 mm in length were mixed in a mixer with a high speed rotating base Mixing tool mixed with 50 g glass fibers of 10 μ diameter and 6.35 mm length. The resulting Fluffy pulp was deformed between plates of a press heated to 290 ° C., the press cycle was as in Example 3, whereupon the plates were cooled to 40 ° C in 5 minutes. The rusulting one Plate was well compacted and had good tensile properties, although the appearance was not as good as was obtained in the previous examples, since the glass fibers have a tendency to agglomerate because the initial mixing was not sufficiently intense.

Example 5

Endlose Nylon- und Glasfasern wurden gemeinsam in einen Strang gewickelt, welcher 65,3 Gewichtsprozent Glasfasern enthielt. Der Strang wurde in Längen geschnitten, und diese Längen wurden aufeinandergestapelt, so daß die Fasern in einer jeden Schicht senkrecht zu den Fasern der vorhergehenden Schicht lagen. Der Stapel wurde dann dem gleichen Temperatur- und Druckzyklus, wie er in Beispiel 4 verwendet wurde, unterworfen, um eine mit Glasfasern verstärkte Nylonplatte herzustellen, die einen Biegemodul von 1,27 χ 10^s kg/cm² und eine Zugfestigkeit von 2800 kg/cm² besaß.Continuous nylon and glass fibers were wound together in a strand which contained 65.3 percent by weight glass fibers. The strand was cut into lengths and these lengths were stacked on top of one another so that the fibers in each layer were perpendicular to the fibers in the previous layer. The stack was then subjected to the same temperature and pressure cycle as used in Example 4 to produce a glass fiber reinforced nylon plate which had a flexural modulus of 1.27 χ 10 ^s kg / cm ² and a tensile strength of 2800 kg / cm ² .

Claims

Patent claims:

1. Process for making reinforced thermoplastic articles from a higher melting fibrous reinforcement material and a lower melting thermoplastic Plastic matrix by mixing particulate! thermoplastic plastic with the fibrous reinforcing material and heating the mixture with the application of pressure a temperature lying between the melting points of the two components, thereby characterized in that thermoplastic as particulate thermoplastic material Synthetic fibers are used in an amount of 2.5 to 75 parts by volume per 100 parts by volume of fiber mixture will.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fibrous reinforcing material to improve the adhesion to the Plastic matrix is coated beforehand.