DE2117095C3

DE2117095C3 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Materialien

Info

Publication number: DE2117095C3
Application number: DE19712117095
Authority: DE
Inventors: Roger Vernon Plymouth Devonshire Price (Großbritannien)
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1970-04-07
Filing date: 1971-04-07
Publication date: 1976-12-09

Description

Verstärkte thermoplastische Materialien werden im allgemeinen dadurch hergestellt, daß man ein Verstärkungsmaterial und ein thermoplastisches Material kompundiert, wie z. B. auf einer Zweiwalzenmühle oder in einem Extruder, und daß man hierauf das erhaltene Walzfell oder Extrudat zerkleinert, um Granalien herzustellen, welche anschließend in die gewünschten Gegenstände verformt werden. Jedoch werden billige Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern, oftmals als endlose Rovings, die aus mehreren Fadengruppen bestehen, geliefert Es ist schwierig, zufriedenstellende Granalien aus diesen Rovings herzustellen, da das thermoplastische Material nicht ausreichend durch das Roving verteilt werden kann, um eine annehmbare Verteilung der Fasern im anschließend hergestellten Formgegenstand sicherzustellen.

Ein älterer Vorschlag (DT-OS 20 04 555) betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Materialien durch Hindurchleiten eines Rovings durch ein Bett des pulverförmigen thermoplastischen Materials und nachfolgende Erhitzung des Rovings auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des thermoplastischen Materials, worauf der erwärmte Roving durch eine Düse gezogen und nach dem Abkühlen gegebenenfalls zu Granalien zerkleinert wird, wobei während des Durchleitens des Rovings durch das Bett des pulverförmigen thermoplastischen Materials der Roving in einzelne Fäden zerteilt

der Durchmesser aller Teilchen.

2. mathematisches Mittel der Teilchengröße unter Berücksichtigung des Teilchengewichts:

Durchmesser aller Teilchen)³

/V

worin N die Zahl der betreffenden Teilchen ist.
Beispiele für geeignete thermoplastische Materialien, die verwendet werden können, sind Polymere und Mischpolymere von «-Olefinen, wie z. B. Polyäthylen hoher Dichte und niedriger Dichte, Polypropylen, Polybuten, Poly-4-methyl-penten-l, Propylen/Äthylen-Mischpolymere, Mischpolymere aus 4-Methyl-penten-l mit linearen a-Olefinen mit 4 bis 18 Kohlenstoffatomen und Äthylen/Vinylacetat-Mischpolymere; Polymere und Mischpolymere von Vinylchlorid, Vinylacetat, Vinylbutyral, Styrol, substituierte Styrolen, wie z. B. oc-Methylstyrol, Acrylnitril, Butadien, Methylmethacrylat und Vinylidenchlorid. Spezielle Beispiele für solche Polymere sind Vinylchloridhomopolymere und Mischpolymere von Vinylchlorid mit Vinylacetat, Propylen, Äthylen, Vinylidenchlorid, Alkylacrylaten, wie z. B. 2-Äthylhexylacrylat, Alkylfumaraten, Alkyl-vinyl-äthern, wie z. B. Cetyl-vinyl-äther und thermoplastischen Polyimidvor-Drodukten; Polyvinylacetat; Polyvinylbutyral; Polysty-

rol; Styrol/Acrylonitril-Mischpolymere; Polyacrylnitril; Mischpolymere von Butadien mit Methylmethacrylat und/oder Styrol und gegebenenfalls Acrylnitril; Polymethyl-methacrylat; Mischpolymer» von Methylmethacrylat mit kleineren Mengen Alkylacrylaten, wie z.B. Methylacrylat, Äthylacrylat und Butylacrylat; Mischpolymere von Methylmethacrylat und Vinylidenachlorid/Acrylonitril-Mischpolymere; in der Schmelze verarbeitbare Mischpolymere von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen.

Halogenierte Polymere oder Mischpolymere können ebenfalls verwendet werden, wie z.B. halogenierte ,x-Olefinpolymere, beispielsweise chloriertes Polyäthylen, oder halogenierte Vinylchloridpolymere, beispielsweise chloriertes Polyvinylchlorid.

Andere thermoplastische Polymere, die verwendet werden können, sind z. B. Kondensationspolymere, wie z. B. Spritzgußsorten von linearen Polyestern, beispielsweise Polyethylenterephthalat; Polyamide, wie z.B. Polycaprolactam, Polyhexamethylenadipamid und Mischpolyamide, beispielsweise Mischpolymere von Hexamethylen-diamin-adipat und Hexamethylen-diamin-isophthalat, und zwar insbesondere diejenigen, die 5 bis 15 Gewichtsprozent Hexamethylen-diamin-isophthalat enthalten; Polysulfone und Mischpolysulfone; Polyphenylenoxide; Polycarbonate; thermoplastische Polymere und Mischpolymere von Formaldehyd; thermoplastische lineare Polyurethane; und die thermoplastischen Derivate von Cellulose, wie z. B. Celluloseacetat, Cellulosenitrat und Cellulosebutyrat.

Wenn ein Mischpolymer verwendet wird, dann hängen die Mengen der in den verschiedenen Mischpolymeren verwendeten Komonomeren unter anderen von der jeweils vorgesehenen Anwendung ab.

Gemische dieser thermoplastischen Harze können ebenfalls verwendet werden.

Zusätze, wie z. B. Stabilisatoren, Gleitmittel, Verarbeitungshilfsmittel, Weichmacher, Farbstoffe, Pigmente, Schlagfestigkeitsmodifiziermittel und Füllstoffe, können ebenfalls in die verwendeten thermoplastischen Materialien eingearbeitet werden, um das gewünschte Aussehen und die gewünschten Eigenschaften oder Eigenschaftskombinationen zu erzielen.

Das faserförmige Verstärkungsmittel kann ein Roving aus einem mineralischen faserförmigen Material sein, wie z. B. ein Roving aus Glasfasern. Ein Glasroving besteht gewöhnlich aus einer Anzahl von Gruppen (sie werden »Enden« bezeichnet) von endlosen Glasfäden. Es wird bevorzugt, Glasrovings zu verwenden, die mit einer Appretur, wie z. B. einem Silan, beschichtet worden sind, die die Haftung zwischen dem Glas und dem thermoplastischen Material verbessert. Weiterhin können sie mit einer Schlichte oder mit einem geeigneten Filmbildner, wie z. B. Stärke, Polyvinylalkohol oder Polyvinylacetat, beschichtet sein, um die Fasern vor Abrieb zu schützen. Andere Verstärkungsmaterialien, die verwendet werden können, sind Kohlenstoffasern oder dünne Metalldrähte.

Das thermoplastische teilchenförmige Material kann auch ein Kupplungsmittel enthalten, um die Bindung zwischen dem Glas und dem thermoplastischen Harz zu verbessern.

Es kann jede geeignete Einrichtung verwendet werden, um die Stränge des Rovings beim Durchgang durch das pulverförmige thermoplastische Material zu trennen oder zu »kämmen«. D>e Verwendung eines Kamms mit kurzen Zähnen, durch den die Rovings gezogen werden, oder die Verwendung einer Reihe von

mit einem Gewinde oder mit Rippen versehener Stäbe oder Schienen wird bevorzugt, wobei der Roving in zweckmäßiger Weise unter und über eine Reihe von Stäben oder Schienen gezogen wird, um den Roving in Fadenbündel aufzuteilen. Die Kämme, Stäbe oder Schienen können aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, wie z.B. aus Metall, Keramik, Kunststoff oder Holz. Außerdem können die Stäbe oder Schienen sich gegebenenfalls um ihre Achsen drehen.

Der Durchmesser des Glasrovings hegt, während er durch das Polymerbett gezogen wird, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 4 mm, obwohl dieser Durchmesser willkürlich sein kann und nicht unbedingt der gleiche Durchmesser sein muß, den der Roving aufweist, bevor es dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen wird. In der Tat kann der Roving vor der Behandlung die Form eines Bands besitzen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es besonders wichtig, daß das thermoplastische Material die Form eines Pulvers besitzt Der Grund hierfür liegt darin, daß das Pulver einen schleifenden Effekt auf den Glasroving ausübt, wodurch die einzelnen Fäden auseinandergelöst werden, was eine vorzügliche Imprägnierung des Glasrovings durch das Polymer zur Folge hat. Es ist dabei wichtig, den Roving in Fadenbündel aufzuteilen, damit das Pulver richtig an die Fäden heran kann, um die Schleifwirkung auszuüben. Wenn keine Aufteilung vorgenommen wird, dann wird nur wenig Polymer aufgenommen. Wie bereits erwähnt, ist es oftmals erwünscht, eine kleine Menge eines Pulvers mit einer Teilchengröße außerhalb des Bereichs zu verwenden, den die Hauptmasse des thermoplastischen Materials aufweist, da hierdurch manchmal die Schleifwirkung des thermoplastischen Materials verbessert wird. Die Teilchen des thermoplastischen Materials besitzen eine bessere Schleifwirkung, wenn sie gezackt und unregelmäßig und nicht glatt kugelförmig sind. Die Wichtigkeit des Schleifeffekts des Pulvers ist ersichtlich, wenn man zum Vergleich den Roving durch eine thermoplastische Schmelze, Emulsion oder Lösung hindurchführt. In diesen Fällen besitzt, auch wenn der Roving gekämmt wird, der austretende Roving in der Tat nur eine Hülle aus thermoplastischem Material, und es ist nur eine geringe Trennung und Durchdringung des Rovings eingetreten. Die Verteilung des Polymers im Roving ist bei der Anwendung derartiger Verfahren deshalb schlecht, und der herauskommende Roving ist als Ausgangsmaterial für nachfolgende Arbeitsgänge zur Herstellung von verstärkten Gegenständen nur von beschränktem Wert.

Das Pulver kann gegebenenfalls durch die Einführung eines Gasstroms in das Polymerbett fluidisiert werden. Dies besitzt den Vorteil, daß weniger Kraft nötig ist, den Roving durch das Polymer und die Trennvorrichtung bei einer gegebenen Durchzugsgeschwindigkeit hindurchzuziehen, als es der Fall ist, wenn ein Roving durch ein unfluidisiertes Bett mit der gleichen Geschwindigkeit hindurchgezogen wird. Dieser Effekt ist um so stärker, je höher die Durchzugsgeschwindigkeit und je größer de.· Durchmesser des zu behandelnden Rovings ist. Es kann jedes geeignete Gas zur Fluidisierung des Polymerbetts verwendet werden. Geeignete Gase sind Luft, Stickstoff, Kohlendioxid oder inerte Gase, beispielsweise Helium oder Argon.

Der Roving kann durch das Bett mit jeder geeigneten Geschwindigkeit hindurchgeführt werden, aber Durchzugsgeschwindigkeiten zwischen 30 und 150 cm/min sind besonders zweckmäßig. Nach dem Durchgang

durch das Bett wird der imprägnierte Roving auf eine Temperatur über und manchmal stark über dem Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials erhitzt, so daß das Polymer unter Bildung einer Matrix fließt, in der die Fasern des Rovings eingebettet sind. Zweckmäßigerweise wird der Roving dadurch erhitzt, daß man ihn durch ein erhitztes Rohr hindurchführt, welches eine Formungsdüse an dem Ende, wo der Roving austritt, aufweist. Der maximale Polymergehalt (und damit auch der kleinste Glasgehalt) des austretenden imprägnierten Rovings kann unter anderem dadurch kontrolliert werden, daß man die Größe der Düsenöffnung entsprechend dem Gewicht der Längeneinheit des verwendeten Rovings einstellt. Durch eine solche Einstellung kann eine große Reihe von Fasergehalten für den gleichen Roving erzielt werden. Manchmal wird es bevorzugt, die Düse mit Wasser zu kühlen, um ein besseres Oberflächenfinish auf dem imprägnierten Roving zu erzielen. Das verwendete Rohr kann jede geeignete Länge aufweisen, jedoch wurde gefunden, daß die Verwendung eines Rohrs mit einer Länge im Bereich von 90 bis 370 cm besonders zweckmäßig ist.

Gegebenenfalls können der Behälter, der das Bett des pulverförmigen thermoplastischen Mziterials enthält, und das Rohr in einem inerten Gas eingeschlossen sein, um Oxidation zu verhindern.

Der imprägnierte Roving kann zerstoßen bzw. zerkleinert und in Form von Granalien bei herkömmlichen Spritzgußverfahren verwendet werden. Insbesondere kann das imprägnierte Roving bei Raumtemperatur zerkleinert werden. Vorzugsweise wird das heiße imprägnierte Roving abgekühlt, beispielsweise durch Hindurchleiten desselben durch ein Kühlbad, wie z. B. ein Wasserbad, bevor er in Granalien zerkleinert wird. Alternativ können ein oder mehrere imprägnierte Rovings einer erhitzten profilierten Düse zugeführt werden, um faserverstärkte thermoplastische Profile herzustellen.

Wie bereits festgestellt, muß das beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete thermoplastische Material ein Pulver sein. Weiterhin wird es bevorzugt, daß es ein trockenes, rieselfähiges Pulver ist, da festgestellt wurde, daß beim Durchgang des Rovings durch das Pulver um so weniger Polymer aufgenommen wird, je höher der Feuchtigkeitsgehalt des l*ulvers und je schlechter damit seine Rieselfähigkeit ist Die Anwendung einer kleinen Menge Teilchen mit einer wesentlich kleineren Teilchengröße als die Hauptmasse des thermoplastischen Pulvers unterstützt ebenfalls die Rieseleigenschaften des Pulvers.

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 in schematischer Weise den Arbeitsvorgang beim erfindungsgemäßen Verfahren,

F i g. 2 bis 5 eine Darstellung von Querschnitten von Granalien, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt worden sind und

Fig.6 eine Darstellung eines Querschnitts einer Granalie, die nicht durch das erlfindungsgemäße Verfahren hergestellt worden ist

Gemäß F i g. 1 wird ein endloser Gkisroving 1 durch einen Metalltrog 2 hindurchgeführt, der pulverförmiges thermoplastisches Material 3 enthält Fünf Gewindestangen 4 mit einem Durchmesser von 6,3 mm erstrecken sich quer über den Trog 2. Jede Stange ist mit einem Standard-Zollgewinde von 20 Gewindegängen je 25 mm Länge ausgerüstet Wie es in den Zeichnungen zu sehen ist wird der Glasroving um die Stangen herumgezogen, die im pulverisierten thermoplastischen Material angeordnet sind, so daß der Roving durch die Gewindegänge in Fadenbündel zerteilt wird und der Roving mit dem Pulver imprägniert wird. Der imprägnierte Roving läuft durch ein Rohr 5, das durch einen Heizmantel 6 umgeben ist, wo das pulverisierte thermoplastische Material auf eine Temperatur über seinen Schmelzpunkt erhitzt wird, so daß es fließt und um die Stränge des Rovings eine Matrix bildet.

ίο Abschließend verläßt das Roving das Rohr durch die erhitzte Düse 7.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung dadurch modifiziert, daß eine Quelle für Stickstoffgas an der Unterseite des Trogs 2

is angeschlossen ist, so daß der Roving durch ein fluidisiertes Bett des Polymers 3 hindurchgeführt wird.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert, in denen imprägnierte Rovings unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß F i g. 1 hergestellt wurden, obwohl diese Vorrichtung in den meisten Beispielen in irgendeiner Weise modifiziert war. In diesen Beispielen bestanden die Rovings aus kontinuierlichen Glasfäden, die in. »Enden« (in Gruppen) zusammengefaßt waren, wobei eine bestimmte Anzahl der Enden einen Roving bilden.

Die Beispiele 1 bis 5 erläutern den Vorteil der Durchführung des Rovings durch ein Bett aus pulverförmigem Polymer gegenüber einem Bett aus geschmolzenem Polymer. Die in diesen Beispielen erhaltenen Resultate sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiel 1

Ein Glasroving mit 21 Enden und mit 408 Fäden/ Ende, dessen Fäden mit einer Silanappretur und einer Polyvinylacetat-Schutzschlichte bedeckt waren, wurde durch einen Abzugsmechanismus durch eine Vorrichtung der in F i g. 1 gezeigten Art hindurchgeführt, welche jedoch einige kleinere Abwandlungen aufwies, wie sie weiter unten beschrieben sind Der Trog enthielt ein handelsübliches Pulver aus unpigmentiertem Polypropylenhomopolymer mit einem durchschnittlichen Teilchengewicht entsprechend annähernd 250 Mikron, das ein Kupplungsmittel enthielt Der Roving wurde durch Herumleiten um 7 Metallstangen von 6,3 mm Durchmesser, von denen jede ein Standard-Zollgewinde mit 20 Gewindegängen/25 mm aufwies, in Fadenbündel verschiedener Größe aufgeteilt Das erhitzte Rohr besaß einen Innendurchmesser von ungefähr 16 mm und eine Länge von 90 cm und war am Eintrittsende auf 350⁰C und am Düsenende auf 300⁰C erhitzt Die Düse besaß einen Innendurchmesser von 3$ mm. Nach dem Austritt aus der Düse wurde der imprägnierte Roving zwecks Abkühlung durch ein Wasserbad hindurchgeleitet

_S5 Bei Verwendung einer Abzugsgeschwindigkeit von 50 cm/min nahm der Roving beim Durchgang durch den Trog Polymer auf, welches dann beim Durchgang durch das Rohr und die Düse zusammengeschmolzen wurde, so daß die Glasfaserbündel gut im geschmolzenen

ho Polymer eingebettet wurden. Nach dem Abkühlen wurde der Strang in Granalien geschnitten, welche 25 Gewichtsprozent Glasfaser enthielten. Es wurde festgestellt daß sie sich besonders für den Spritzguß eigneten. Das Ausmaß der Verteilung des Polymers im Glasroving wurde durch folgende Technik bestimmt Willkürliche Granalien wurden ausgewählt und es wurde ein Querschnitt durch diese Granalien mit einer Dicke von annähernd 1 mm unter Verwendung einer

scharfen Rasierklinge geschnitten. Die Proben wurden unter einem Mikroskop mit 56facher Vergrößerung betrachtet. Die Verteilung des Polymers wurde dadurch bestimmt, daß der Bereich der Anzahl der getrennten Glasbündel innerhalb des Querschnitts einer jeden Granalie festgehalten wurde. Es wurde auch eine Anzahl von Zeichnungen der Querschnitte angefertigt; eine typische Zeichnung ist in F i g. 2 zu sehen.

Die erhaltenen Granalien wurden auch in scheibenförmige Formteile spritzgegossen. Die verwendete Maschine war eine Einschneckenspritzgußmaschine mit einer Zylinderkapazität von 225 g. Während des Spritzgusses wurde der Zylinder auf eine Temperatur gehalten, die über die Länge des Zylinders von 220 auf 25O⁰C (kurz vor der Düse) stieg, während die Düse auf eine Temperatur von 23O⁰C gehalten wurde. Die Brauchbarkeit der Granalien zum Spritzguß wurde dadurch bestimmt, daß die minimale Schneckenrückzugszeit gemessen wurde, die erforderlich war, um ein Formstück mit einem guten und gleichmäßigen Aussehen ohne unzerteilten Glasfaserklumpen zu erzielen. Die Schneckenrückzugszeit ist die Zeit, welche der Schneckenstempel unter Einführung von Material in den Trichter braucht, sich von der Düse eine ausreichende Strecke hinter die Düse zurückzubewegen um die Aufnahme der einzuspritzenden Materialmenge zu ermöglichen.

Dies kann durch Einstellung des Rückdrucks auf der Schnecke verändert werden. Je länger die Schneckenrückzugszeit ist, desto mehr mechanische Scherung erfährt das verarbeitete Material. So brauchen Granalien mit einer schlechten Glasverteilung eine längere Schneckenrückzugszeit zur Erzielung eines gleichförmigen Formlings als Granalien mit einer guten Glasverteilung. Es ist erwünscht, eine so kurze Schneckenrückzugszeit wie möglich zu erzielen, und zwar aus zwei Gründen.

1. je kürzer die Schneckenrückzugszeit ist, desto kürzer und damit wirtschaftlicher ist der Ausformungszyklus.

2. Je langer die Schneckenrückzugszeit ist, desto größer ist die Scherung und damit der Fadenbruch in den Fasern; da die mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Zugfestigkeit, des ausgeformten Gegenstands um so besser sind, je langer die Durchschnittslänge der Fäden ist, ist es daher vorteilhaft, wenn die Schneckenrückzugszeit so kurz wie möglich ist.

Beispiel 2

Der Versuch von Beispiel 1 wurde wiederholt, mit

dem Unterschied, daß die Abzugsgeschwindigkeit des Rovings auf til cm/min herabgesetzt wurde. Die Verteilung des Polymers und die Brauchbarkeit der Granalien zum Spritzguß wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 geprüft. Eine Zeichnung eines typischen Querschnitts einer solchen Granalie ist in F i g. 3 zu

ίο sehen.

Beispiel 3

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß das Bett des

is Polypropylenpulvers durch einen Stickstoffstrom fluidisiert wurde, der an einer Stelle an der Unterseite des Trogs eintrat, wie es weiter unten beschrieben ist. Außerdem wurde die Zahl der Stangen auf 5 herabgesetzt. Die Verteilung des Polymers und die

so Brauchbarkeit der Granalien zum Spritzguß wurde in der gleichen V/eise wie in den Beispielen 1 und 2 bestimmt. Eine Zeichnung eines typischen Querschnitts einer solchen Granalie ist in F i g. 4 dargestellt.

^2S Bei s piel 4

Der im Beispiel 3 beschriebene Versuch wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß die Anzahl der Stangen auf 3 verringert wurde. Die Verteilung des Polymers und die Brauchbarkeit der Granalien zum Spritzguß wurde in der gleichen Weise wie in den Beispielen 1 bis 3 bestimmt. Eine Zeichnung eines typischen Querschnitts einer solchen Granalie ist in F i g. 5 zu sehen.

Beispiel 5

_Ao pulverförmigen Polypropylens durch ein Bad aus geschmolzenem Propylen ersetzt wurde, das auf 250° C gehalten wurde. Die Verteilung des Polymers in den Granalien und die Brauchbarkeit der Granalien zum Spritzguß wurde wie in den Beispielen 1 bis 4 bestimmt Eine Zeichnung eines typischen Querschnitts einer solchen Granalie ist in F i g. 6 zu sehen.

Die in den Beispielen 1 bis 5 erhaltenen Zahlen sind ir der Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Beispiel Zustand des Polymerbetts

Anzahl der Abzugs- Anzahl der Glasbündel Schneckenriickzugs-

Siangen geschwindigkeit je Querschnitt der zeit während der

Granalie Spritzgußverarbei-

tung der Granalien (cm/min) (Sek.)

1 nichtfluidisiertes Pulver 7

nichtfluidisiertes Pulver 7

fluidisiertes Pulver 5

fluidisiertes Pulver 3

Schmelze ^

35 bis 40
45 bis 46
30 bis 40
13 bis 30
1 bis 6

25 25 25 25 55

Aus den Resultaten der Tabelle 1 ist klar ersichtlich, teilung in Granalien, die erhalten wird, wenn der Troj daß die Verteilung des Polymers innerhalb der 6s eine Polymerschmelze enthält.

Granalien in den Fällen, in denen ein pulverförmiges Polymer im Trog (fluidisiert oder nicht-fluidisiert) verwendet wird, weitaus besser ist als die Polymerver-Dieses Resultat wird durch die F i g. 2 bis 5 erläuter Die Querschnitte der aus einem Polymerpulve erzeugten Granalien enthalten viele einzelne Glasbün

609 650/1

del, wogegen der Querschnitt der Granalie, die mit geschmolzenem Polymer hergestellt worden war, zeigt, daß die Granalie nur etwas mehr als eine Polymerhülle aufweist, die ein nahezu unzerteilter Glasroving umgibt.

Die Brauchbarkeit der gemäß der Erfindung hergestellten Granalien wird weiter durch einen Vergleich der Schneckenrückzugszeiten während der Spritzgußverarbeitung der Granalien, die in den Beispielen 1 bis 5 hergestellt worden waren, bestätigt. Es ist ersichtlich, daß Granalien, die mit der Schmelze hergestellt wurden, mehr als die doppelte Rückzugszeit benötigen als Granalien, die gemäß der Erfindung hergestellt worden sind.

Die in den Beispielen 6 bis 9 beschriebenen Versuche erläutern den Einfluß der Durchzugsgeschwindigkeit und der verwendeten Anzahl von Stangen auf die Polymermenge, die beim Durchgang durch das Polymerpulverbett in den Glasroving einverleibt wird.

wurde dies viermal wiederholt. Dadurch wurde für jedes Stangensystem die Polymermenge bestimmt, die je Gramm Roving eingearbeitet wurde.

Beispiel 7

Die im Beispiel 6 verwendeten Materialien und Arbeitsbedingungen wurden auch hier verwendet, wobei jedoch der Unterschied bestand, daß die Durchzugsgeschwindigkeit bei allen Versuchen cm/min betrug. Die Produkte wurden in der gleichen Weise wie im Beispiel 6 untersucht.

Beispiel 6

Es wurden die Materialien und das Verfahren verwendet, die im Beispiel 1 beschrieben sind, wobei jedoch die Durchzugsgeschwindigkeit 90 cm/min und die Anzahl der verwendeten Stangen in den einzelnen Versuchsgruppen 3,5,7,9 und 11 betrug.

Bei jedem Versuch wurden, nachdem sich das System eingestellt hatte und im Gleichgewicht befand, 0,91 m imprägnierter Roving, der aus dem Polymerbett austrat, abgeschnitten und gewogen. Bei jedem Stangensystem

Beispiel 8

Die Materialien, das Arbeitsverfahren und das Bestimmungsverfahren von Beispiel 6 wurden auch hier verwendet, wobei jedoch der Unterschied bestand, daß das Polymerbett wie oben beschrieben fluidisiert wurde.

Beispiel 9

Die Materialien, das Arbeitsverfahren und das Bestimmungsverfahren von Beispiel 7 wurden auch hier verwendet, mit dem Unterschied, daß des Polymerbett wie oben beschrieben fluidisiert wurde.

Die in den Versuchen der Beispiele 6 bis 9 erhaltenen Zahlen sind in der Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2 Beispiel Zustand des Polymerbetts

Durchzugsgeschwindigkeit

(cm/min)

Anzahl der Stangen

6 nichtfluidisiert

7 nichtfluidisiert

8 fluidisiert

9 fluidisiert

90

300

90

300

3 5 7 9

11 3 5 7 9

11 Gewicht des in 1 g Roving einverleibten Polymers (g)
(Durchschnitt aus
4 Versuchen)

1.2
2,6
3,0
3,9
4,0
1,4
2,3
3,6
3,8
4,0

1,5
2,2
2,4
3.0
3,9
0,7
1,7
2,1
3,0
3,8

Glas

(Gewichtsprozent)

45 28 25 21 20 42 30 22 21 20 40 31 30 25 21 60 38 32 25 21

Aus den in Tabelle 2 ersichtlichen Resultaten geht klar hervor, daß durch Zunahme der Anzahl der Stangen auch die Menge des in die Rovings eingearbeiteten Polymers zunimmt Es ist jedoch ersichtlich, daß durch eine Zunahme der Durchzugsgeschwindigkeit die Menge des in die Rovings eingearbeiteten Polymers

afc

Tabelle

nicht wesentlich beeinflußt wird, mit Ausnahme im Falle der Verwendung eines fluidisierten Betts mit einer kleinen Anzahl Stangen, in welchem Falle eine erhöhte Durchzugsgeschwindigkeit eine geringere Einverleibung von Polymer ergibt.

Die Beispiele 10 und 11 erläutern die Wirkung der Feuchtigkeit auf die Polymermenge, die in einen Glasroving eingearbeitet wird, wenn er durch ein Polymcrbett hindurchgeführt wird.

IO

Beispiel 10

Aus dem im Beispiel 1 verwendeten Polypropylenpulver und Wasser wurde eine Aufschlämmung hergestellt, die einen Feststoffgehalt von 56,5 Gewichtsprozent aufwies. Das Gemisch wurde in einen Polypropylentrog gegossen, der 9 Stangen aufwies. Ein Glasroving der in Beispiel 1 verwendeten Type wurde mit einer Durchzugsgeschwindigkeit von 90 cm/min durch den Trog hindurchgezogen. Nachdem sich das System ins Gleichgewicht eingestellt hatte, wurde die Polymermenge nach der Vorschrift der Beispiele 6 bis 9 bestimmt, die je Gramm Roving aufgenommen wurde. Die Menge wurde zu 1,1 g Roving gefunden, d. h., daß der

imprägnierte Roving 48% Glas enthielt. Eine Prüfung 25

des imprägnierten Rovings zeigte, daß es in der Tat ^{Art des Tro}£^s keine Eindringung des Polymers in das Roving gab und daß die einzige Polymeraufnahme lediglich dadurch erzielt wurde, daß Polymer an der Oberfläche des Rovings haftenblieb. Aus diesem Grunde ist es klar, daß überschüssige Feuchtigkeit im Polymerpulver ernsthaft das Vermögen der Vorrichtung beeinträchtigt, Glasroving mit Pulver zu imprägnieren.

Beispiel 11

Das im Beispiel 1 verwendete Polypropylenpulver wurde mit 2 Gewichtsprozent Wasser gemischt, und das resultierende Material wurde in einem fluidisierten Bett in der im Beispiel 3 beschriebenen Weise verwendet, wobei der Trog 13 Stangen und nicht 5 wie im Beispiel 3 enthielt. Es wurde festgestellt, daß zu Beginn des Versuchs das Material nicht fluidisieren wollte und daß keine Eindringung des Polymers in den Roving zu beobachten war, so daß der Glasgehalt zu hoch war. Wenn der Versuch fortgesetzt wurde, trocknete das Polymer, und das durch den Roving aufgenommene Polymergewicht nahm zu, bis nach ungefähr 45 min, zu welcher Zeit das Pulver normal fluidisierte, die übliche hohe Durchdringung und Aufnahme des Polymers zu beobachten war. Die durch diesen Versuch erhaltenen Resultate sind in Tabelle 3 zusammengefaßt Dieser Versuch zeigt, daß es sehr erwünscht ist, wenn das Polymer nicht so viel Feuchtigkeit enthält, daß die Rieselfähigkeit beeinträchtigt wird.

Beispiel 12 zeigt, daß die vorzügliche Aufnahme und Eindringung des Polymers nicht auf elektrostatische Ladungen zurückzuführen sind, die im System anwesend sind; vielmehr zeigt dieser Versuch die Unabhängigkeit von solchen Effekten.

Beispiel 12

Die Materialien, das Arbeitsverfahren und das Bestimmungsverfahren waren wie im Beispiel 6, mit dem Unterschied, daß in einer Reihe von Versuchen ein geerdeter Metalltrog mit Metallstangen verwendet wurde, worauf dann in einer zweiten Versuchsreihe ein Polypropylentrog mit elektrisch geladenen Metallstangen verwendet wurde. Die Resultate der Versuche sind in der Tabelle 4 zusammengefaßt.

Anzahl der Stangen

Glas im imprägnierten Roving (%)

Geerdet aus Metall mit
Metallstangen

Polypropylen mit geladenen Metallstangen

5 7 9

5
7
9

28 23 25

27 25

25

Es ist also klar, daß die elektrische Aufladung der Vorrichtung kein relevanter Faktor beim erfindungsgemäßen Verfahren ist.

Beispiel 13 zeigt, daß vom Standpunkt der Menge oder Qualität der Verteilung des einverleibten Polymers ein fluidisiertes Bett zwar keinen Vorteil gegenüber einem nichtfluidisierten Bett gibt, daß aber trotzdem der Vorteil besteht, daß weniger Kraft nötig ist einen Roving durch ein fluidisiertes Bett unter anderweitig identischen Bedingungen hindurchzuziehen.

Tabelle 3

Verstrichene Zeit	Glas im im
vom Beginn des	prägnierten
Durchzugs des	Rovings
Roving
(min)	(%)

0	—
5	65
15	48
20	40
25	40
32	28
40	28
50	25

Beispiel 13

Ein Glasroving der in Beispiel 1 verwendeten An wurde durch ein Bett aus nichtfluidisiertem Polypropy len der im Beispiel 1 verwendeten Art hindurchgezogen Der verwendete Trog besaß 11 Stangen der im Beispie 1 beschriebenen Art Es wurden zwei Durchzugsge schwindigkeiten verwendet nämlich 90 bzw. 340 cm min. Die bei jeder Durchzugsgeschwindigkeit erforder liehe Kraft wurde gemessen. Der Versuch wurde mi einem fluidisierten Polymerbett wiederholt Ein Ver gleichsversuch ohne Polymer im Bett wurde ebenfall: ausgeführt

Die oben beschriebenen Vergleiche wurden wieder holt wobei jedoch ein Glasroving mit 42 Enden (jeweil 408 Fäden) an Stelle des Rovings mit 21 Endei verwendet wurde.

Die mit diesen Versuchen erhaltenen Zahlen sind ii der Tabelle 5 angegeben.

Tabelle 5	Anzahl der	Zustand des Polymersbetts	Durchzugs	Für den Durchzug des
	Enden im		geschwindigkeit	des rovings durch das
	Glasroving			Bett erforderlicher
			(cm/min)	Zug (Newton)
	21	kein Pulver im Trog	90	8,9
			340	8,9
		nichtfluidisieres Bett	90	22,2
			340	31,1
		fluidisiertes Bett	90	20,0
			340	20,0
	42	kein Pulver im Trog	90	35,6
			340	35,6
		nichtfluidisiertes Bett	90	44,5
			340	71,2
		fluidisiertes Bett	90	35,6
			340	40.0

Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß für den Durchzug eines Rovings durch ein fluidisiertes Bett weniger Kraft erforderlich ist als bei einem nichtfluidisierten Bett. Jedoch wird dieser Vorteil um so größer, je höher die Durchzugsgeschwindigkeit ist und je größer der Durchmesser des behandelten Rovings ist.

Die Beispiele 14 bis 16 zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere thermoplastische Materialien als Polypropylen verwendet werden kann. Beispiel 16 zeigt, daß auch andere Rovings als Glasrovings verwendet werden können.

Beispiel 14

Die Materialien und das Arbeitsverfahren von Beispiel 1 wurden auch hier verwendet, mit dem Unterschied, daß das Polypropylenpulver durch ein handelsübliches Nylon-6,6 ersetzt wurde, welches auf ein durchschnittliches Teilchengewicht entsprechend 250 Mikron heruntergemahlen war, und daß das erhitzte Rohr über seine ganze Länge auf 275 bis 280° C gehalten wurde. Die erhaltenen Granalien enthielten 27 Gewichtsprozent Glas. Ils wurde festgestellt, daß sie sich sehr gut für Spritzguß und Extrusion eigneten. Die Verteilung des Polymers im Glasroving war vorzüglich.

Beispiel 15

Die Materialien und das Arbeitsverfahren von Beispiel 1 wurden auch hier verwendet, wobei jedoch der Unterschied bestand, daß das Polypropylenpulver durch ein handelsübliches granuläres Polyvinylchloridhomopolymer ersetzt wurde, das einen Fikentscher-K-Wert von 60 und eine durchschnittliche Teilchengröße entsprechend 150 Mikron aufwies und einen Thio-Zinn-Stabilisator enthielt Das erhitzte Rohr wurde über seine gesamte Läi.^e auf 180°C gehalten. Die resultierenden Granalien enthielten 17 Gewichtsprozent Glas. Sie eigneten sich sehr gut für Spritzguß und Extrusion. Die Verteilung des Polymers im Glasroving war vorzüglich.

Beispiel 16

Das im Beispiel 1 verwendete Verfahren wurde auch hier verwendet. Jedoch wurde das Glasroving durch ein Kabel aus endlosen Kohlenstoffäden ersetzt. Es enthielt 10 000 einzelne Fäden von jeweils 7 bis 8 Mikron Durchmesser. Außerdem enthielt der Trog kein Polypropylen, sondern ein handelsübliches Poiysulfon, welches auf ein Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchengewicht entsprechend 250 Mikron herabgemahlen war, und das erhitzte Rohr wurde über seine gesamte Länge auf ungefähr 35O⁰C gehalten.

Die resultierenden Granalien enthielten 21 Gewichtsprozent Kohlenstoffäden. Sie eigneten sich sehr gut für Spritzguß und Extrusion. Die Verteilung des Polysulfons in den Kohlenstoffasern war vorzüglich.

Beispiel 17

Die Materialien und das Arbeitsverfahren von Beispiel 1 wurden auch hier verwendet, mit dem Unterschied, daß das Polypropylenpulver zunächst innig mit einem rotbraunen Pigment [Eisen(III)-oxid] gemischt wurde, bevor es in den Trog eingebracht wurde. Es wurde festgestellt, daß das Pigment vorzüglich in den erhaltene^ Granalien verteilt war, was zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein Pigment nicht stark aussondert, das in ein thermoplastisches Pulver eingearbeitet worden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

21 17 0S5 Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Materialien durch Hindurchleiten eines Rovings durch ein Bett des pulverförmigen thermoplastischen Materials und nachfolgende Erhitzung des Rovings auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Materials, worauf der erwärmte Roving durch eine Düse gezogen und nach dem Abkühlen gegebenenfalls zu Granalien zerkleinert wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Durchleiten durch das Bett des pulverförmigen thermoplastischen Materials der Roving in aus mehreren Fäden bestehende Bündel aufgeteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige thermoplastische Material während des Durchgangs des Rovings fluidisiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des pulverförmigen Materials mindestens ein Kamm angeordnet ist, über den der Roving geleitet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des pulverförmigen Materials mindestens eine Gewindestange angeordnet ist, über die der Roving geleitet wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des pulverförmigen Materials mehrere Stäbe angeordnet sind, über die der Roving zickzackförmig geleitet wird.

Das Zerteilen in einzelne Fäden ist mit einem beträchtlichen Arbeitsaufwand verbunden. Beispielsweise werden die Fäden elektrostatisch aufgeladen, so daß sie sich voneinander trennen.

Der vorliegenden Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der vorstehend beschriebenen Art so weiterzubilden, daß es in einfacherer Weise durchgeführt werden kann.

Die Atfgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

ίο daß bei diesem Verfahren beim Durchleiten durch das Bett des pulverförmigen thermoplastischen Materials der Roving in aus mehreren Fäden bestehende Bündel aufgeteilt wird.

Es hat sich gezeigt, daß es nicht nötig ist, den Roving in einzelne Fäden aufzuteilen, sondern daß auch eine ausgezeichnete Verteilung der Fasern in den thermoplastischen Materialien erreicht wird, wenn der Roving nur in aus mehreren Fäden bestehende Bündel aufgeteilt wird.

Mit dem Aufdruck »thermoplastisches Material« ist ein Material gemeint, das, wenn es über seinen Schmelzpunkt erhitzt wird, unter Bildung einer homogenen Masse fließt. Das pulverförmige thermoplastische Material ist bevorzugt ein teilchenförmiges Material, dessen durchschnittliches Teilchengewicht einem Teilchen mit weniger als 1500 Mikron Durchmesser entspricht Insbesondere wird ein Material mit einem durchschnittlichen Teilchengewicht verwendet, das einem Teilchen mit einem Durchmesser von 100 bis 500 Mikron entspricht, obwohl es oftmals nützlich ist, eine kleine Menge Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchengewicht außerhalb dieses Bereichs zu verwenden.

Es ist grundsätzlich möglich, den durchschnittlichen Teilchendurchmesser auf zwei verschiedene Arten darzustellen:

1. mathematisches Mittel der Teilchengröße unter Berücksichtigung des Teilchendurchmessers: