DE60016437T2

DE60016437T2 - Thermoplastpultrusion

Info

Publication number: DE60016437T2
Application number: DE60016437T
Authority: DE
Inventors: John Reginald Kidlington BETTERIDGE; Gordon Roland Melton Mowbray BISHOP
Original assignee: FIBREPLAS EXTRUSIONS Ltd; FIBREPLAS EXTRUSIONS Ltd KIDLINGTON
Current assignee: FIBREPLAS EXTRUSIONS Ltd; FIBREPLAS EXTRUSIONS Ltd KIDLINGTON
Priority date: 1999-10-02
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: ATE283758T1; DE60016437D1; WO2001024993A1; ES2233447T3; AU7535600A; GB9923211D0; EP1220748B1; EP1220748A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbundkunststoffe mit Faserverstärkungen hierin, wie etwa strukturellen Kunststoffzusammensetzungen, bei welchen die Faser aus Glasfaser gebildet wird, obwohl einleuchtet, dass auch andere Fasern zum Einsatz kommen können.
Nachfolgend kann ein "Bündel" von Fasern ein Mehrfaches derartiger Fasern einschließen.
Es ist bekannt, Verbundkunststoffe herzustellen durch ein Verfahren, welches als Pultrusion bekannt ist, bei welchem Glasfaserbündel durch ein Harz oder eine Kunststoffmischung gezogen werden und anschließend durch eine Form, die ein erforderliches Profil besitzt, um dann ausgehärtet oder gekühlt zu werden zur Bildung einer verstärkten Verbundstruktur. Dieses Verfahren weist eine Anzahl von Nachteilen auf, von denen einer die Zeit ist, die das Aushärten oder Kühlen in Anspruch nimmt, welches typischerweise 1 bis 3 min für das letztere erfordert. Ein weiterer liegt darin, dass die Oberflächenbeschaffenheit des Verbundstoffes nicht besonders glatt ist infolge der Anwesenheit der Fasern an der Oberfläche. Da außerdem die Pultrusion erfordert, dass die Fasern zusammengebündelt sind über die gesamte Querschnittsfläche an dem Profil entsprechend der Form, leuchtet ein, dass die Verbundstruktur wirkungsvoll verstärkt ist mit den Fasern über den gesamten Querschnitt, obwohl strukturelle Betrachtungen dies nicht erfordern.
Es ist bekannt, strukturelle Verbundstoffe herzustellen durch das Beschicken vorpultrierter und gehärteter oder gekühlter Längen von Verstärkungsstäben oder -streifen durch zentrale Teile eines herkömmlichen Extrusionswerkzeuges während des Extrudierens von thermoplastischem Material, wie etwa PVC, rings herum. Dies erzeugt ein Verbundstrukturelement mit einer besseren Oberflächenbeschaffenheit gegenüber derjenigen eines herkömmlichen pultrutierten Elementes unter Ausnutzung des Vorteils der erhöhten Festigkeit, die durch die innere Verstärkung übertragen wird. Ein Nachteil liegt jedoch darin, dass das Verfahren nicht kontinuierlich ist und Schwierigkeiten angetroffen werden können an der Zwischenfläche zwischen der Oberfläche der Pultrusion und dem PVC, so dass sie möglicherweise nicht zufriedenstellend miteinander verbunden sind.
In der EP-0 653 290 ist ein Verfahren beschrieben zur kontinuierlichen Herstellung von geformten faserverstärkten Gegenständen aus thermoplastischem Harz, welches das Konzept einschließt, die Fasern zu imprägnieren mit einem thermoplastischen Harz von niedriger Viskosität, um das "Ausnässen" zu verbessern, und in 2 der Veröffentlichung werden Ausnässwalzen 20 beschrieben, die das Imprägnierungsverfahren unterstützen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung kontinuierlicher Verbundextrusionen aus thermoplastischem Material bereitgestellt mit kontinuierlich gebündelten Fäden einer Faserverstärkung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst der Bereitstellung eines thermoplastischen Materials mit einer relativ hohen Viskosität in geschmolzenem Zustand, Bereitstellen eines Polymers von relativ niedriger Viskosität im geschmolzenen Zustand und anschließendes Einsetzen dieses geschmolzenen Polymers zum Imprägnieren der Fäden der Faserverstärkung zur Bildung eines imprägnierten gebündelten Streifens, Extrudieren des geschmolzenen thermoplastischen Materials durch ein Extrusionswerkzeug und während der Extrusion Beschicken des imprägnierten Streifens durch das Werkzeug zur Bildung eines kontinuierlichen Verbundes mit dem thermoplastischen Material und anschließendes Kühlen der Verbundextrusion, dadurch gekennzeichnet, dass als Teil des Imprägnierungsverfahrens für das Bündel der Fäden der Faserverstärkung die Fasern veranlasst werden, durch eine Reihe von versetzten Stiften oder Rollen zu passieren, um die Fasern zu veranlassen, sich vollständig mit dem geschmolzenen imprägnierten Polymeren zu vermischen.
Vorzugsweise ist das thermoplastische Material mit einer relativ hohen Viskosität Polyvinylchlorid (PVC) und das Polymer mit relativ niedriger Viskosität Glykolmodifiziertes Polyethylenterephthalat (PET), obwohl andere geeignete Polymere zum Einsatz kommen können einschließlich ABS von Injektionsformqualität, Graft-Polypropylen und thermoplastisches Polyurethan mit unterschiedlichem Grad an Erfolg.
Sofern das thermoplastische Material relativ hoher Viskosität Polypropylen ist, hat sich gezeigt, dass ein geeignetes Imprägnierungspolymer ein Polypropylen von Injektionsformqualität ist, d.h. ein solches mit einer niedrigen Viskosität, wie etwa eines von reduziertem Molekulargewicht relativ zu herkömmlichen Polypropylen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung werden Fäden des Imprägnierungspolymer vermischt mit Fäden der Glasfasern und dann durch einen Infrarot-Vorerhitzer geführt, um das Polymere hinlänglich zu schmelzen, so dass die Imprägnierung der Glasfäden ermöglicht wird, worauf die Fäden veranlasst werden durch eine Reihe von versetzten Stiften oder Rollen zu passieren, um die Fasern zu veranlassen, sich vollständig mit dem geschmolzenen Imprägnierungspolymer zu vermischen. Im Anschluss an diesen Schritt werden die imprägnierten Glasfasern durch Konsolidierungsplatten geführt, um eingeschlossene Luft und überschüssiges Polymer zu entfernen zur Bildung eines imprägnierten gebündelten Streifens, der dann direkt in ein Extrusionswerkzeug eingeführt werden kann während der im übrigen herkömmlichen Extrusion des geschmolzenen thermoplastischen Materials. Dies kann typischerweise ausgeführt werden durch den Einsatz eines Kreuzkopfwerkzeuges, wobei das geschmolzene hochviskose thermoplastische Material um den imprägnierten gebündelten Streifen herum oder um die Streifen, wenn mehr als einer vorhanden ist, beschickt wird vor der Extrusion durch das Werkzeug. Im Anschluss an diese Extrusion wird das Verbundmaterial dann gekühlt und abgezogen in einer herkömmlichen Weise.
Nach einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung tritt der Imprägnierungsvorgang ein im Anschluss an die Vorerhitzung der verstärkten Fasern, nachdem sie von einem entsprechenden Faserschärbaumgestell abgezogen wurden, wobei das erhitzte Polymer getrennt bereitgestellt wird von einem Kreuzkopfextruder, obwohl einleuchtet, dass jedes andere Verfahren zur Zuführung des Polymer zu den verstärkten Faserbündeln zu deren Imprägnierung eingesetzt werden kann einschließlich Polymeren in Pulverform, in Lösung oder Emulsion.
Die Erfindung soll nun lediglich beispielhaft beschrieben werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen:
1 zeigt in schematischer Form eine Produktionslinie zur Herstellung eines kontinuierlichen thermoplastischen Verbundwerkstoffes gemäß der Erfindung und
2 zeigt im Querschnitt ein strukturelles Element in der Form eines Bedachungsträgers in situ unter Abstützung eines Paares einander gegenüberliegender Bedachungspaneele, von denen nur ein Teil wiedergegeben ist.
In 1 ist eine Anzahl von individuellen Bündeln oder Strängen 1 von Glasfasern gezeigt, die von ihren jeweiligen (nicht dargestellten) Schärbaumgestellen über eine Abstandsschiene 2 abgezogen wurden und anschließend zusammen gebündelt wurden zu einem im allgemeinen flachen Streifen vor der Einführung in eine längliche hohle Heizstation 3, in welcher die Bündel erhitzt werden mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Infrarot-Vorerhitzers auf etwa 200°C vor dem Austritt.
Die erhitzten Glasfaserfäden werden dann durch eine Polymerimprägnierungseinheit 4 geführt mit einer Gruppe von versetzten Stiften, die allgemein mit der Bezugsziffer 5 versehen und im wesentlichen quer zur Längslaufrichtung der Fäden 1 angeordnet sind, so dass sie kollektiv gezwungen werden, sich leicht zu biegen um jeden der Gruppe der Stifte 5. Während dieses Vorganges wird geschmolzenes Imprägnierungspolymer von einem kleinen Extruder 6 auf die Stifte geführt in Pfeilrichtung, so dass die Faserstreifen 1, die die Gruppe der Stifte 5 umlaufen kollektiv, imprägniert werden mit dem Polymeren von relativ niedriger Viskosität vor dem Austritt aus der Imprägniereinheit 4.
Nach dem Verlassen der Imprägniereinheit 4 tritt der imprägnierte Streifen 1a dann in ein Kreuzkopfextrusionswerkzeug 7 ein, welches mit dem geschmolzenen thermoplastischen Material relativ hoher Viskosität, wie etwa PVC, versehen ist, über einen Hauptextruder 8 mit Führungen (nicht dargestellt), die sicherstellen, dass der imprägnierte Streifen 1a zentral in einer Position gehalten wird innerhalb des Werkzeuges 7, während das extrudierte thermoplastische Material vollständig um ihn herumströmt. Die Verbundextrusion 9 tritt dann aus dem Extrusionwerkzeug 7 aus, um in eine herkömmliche Kühlungs- und Formgebungseinheit 10 einzutreten, gefolgt von einem "Abziehen" in einer herkömmlichen Weise über eine Abzieheinheit 11.
Im Anschluss an das Abziehen besitzt der extrudierte Verbundwerkstoff dementsprechend eine Oberflächenbeschaffenheit hoher Qualität aufgrund des Einsatzes typischerweise von PVC als thermoplastischem Material, wobei jedoch im Inneren eine oder mehrere lokalisierte Bereiche von Versteifungen eingeschlossen sind als Ergebnis der Anwesenheit der gebündelten Faserverstärkung. Eine derartige Verstärkung haftet gut an dem PVC an durch das dazwischenliegende Imprägnierpolymer, ohne welches die Fasern nicht so gut an dem PVC anhaften würden im Hinblick auf dessen relativ hohe Viskosität im geschmolzenen Zustand.
Es leuchtet ein aus den voranstehenden Ausführungen, dass die Erfindung auch zum Einsatz kommen kann bei der Herstellung von hohlen Profilsträngen, wie etwa Extrusionen, wie sie in der Bauindustrie eingesetzt werden. Sie kann z.B. eingesetzt werden zur Herstellung von Bedachungsträgern für Treibhäuser, die sonst typischerweise aus extrudiertem Aluminium hergestellt werden, um die Steifigkeitskriterien zu erfüllen, und die anschließend überzogen werden mit einem oder mehreren Kunststoffstreifen oder Abdeckungen, um eine adäquate Wärmeisolation bereitzustellen.
In 2 ist im Querschnitt eine Verbundextrusion gezeigt, hergestellt gemäß dem Verfahren der Erfindung in der Form eines Bedachungsträgers 10 zur Abstützung von Bedachungspaneelen 11, 12, die typischerweise aus gehärtetem Glas oder transparentem Kunststoffmaterial hergestellt sind. Der Träger 10 wird an Ort und Stelle gehalten mit einer (nicht dargestellten) Klammer über Bolzen 13, 14 und besitzt allgemein die herkömmliche Form eines umgekehrten "T"-Querschnittes, wobei das obere Ende einen geflanschten Schlitz 15 trägt zur Aufnahme eines entsprechend geformten Leistenteils im wesentlichen in der Form eines "V" als (nicht dargestellte) Abschlusskappe zur Befestigung der Paneele 11, 12 in ihrer Position.
Der Bedachungsträger 10 besteht primär aus extrudiertem PVC, aber schließt lokalisierte Bereiche von Versteifungen 16, 17 ein, die jeweils zusammengesetzt sind aus gebündelten Fäden von Faserverstärkungen, wie etwa Glasfaserverstärkungen, gebunden zusammen durch ein Polymer mit relativ niedriger Viskosität, wie etwa Glykolmodifiziertes PET, anschließend koextrudiert durch ein geeignet geformtes Werkzeug mit dem PVC derart, dass nach dem Abziehen der Verbundextrusion und dem anschließenden Kühlen diese in geeignete Längen geschnitten werden kann. In diesem Fall stellt die lokalisierte Versteifung, die durch die gebündelten Streifen 16, 17 bereitgestellt wird, eine ausreichende Festigkeit für den Träger 10 bereit, so dass dieser eingesetzt werden kann, um das Dach typischerweise eines Gewächshauses abzustützen als Substitution für einen entsprechend geformten Träger aus Aluminium. Dies besitzt den Vorteil, dass der Träger 10 thermisch sehr effizient ist, und da ein Polymer hoher Qualität, wie etwa PVC, zum Einsatz kommt, kann eine attraktive Oberflächenbeschaffenheit erzielt werden. Im Gegensatz dazu erfordert ein entsprechend geformter Bedachungsträger aus extrudiertem Aluminium normalerweise einen Überzug aus Kunststoffmaterial, um eine hinreichende Wärmeisolation bereitzustellen und, wo erforderlich, eine geeignete attraktive Oberflächenbeschaffenheit.
Die Erfindung erstreckt sich dementsprechend außerdem auf ein strukturelles Verbundelement mit einer Extrusion aus relativ hochviskosem thermoplastischen Material, wie etwa PVC, einschließlich eines oder mehrerer lokalisierter Bereiche von Versteifungen, die durch Faserfäden bereitgestellt werden, wie etwa Glasfaserfäden, eingebettet in ein Polymer von relativ niedriger Viskosität, verglichen mit derjenigen des thermoplastischen Materials, wie etwa Glykol-modifiziertes PET, oder, wenn der thermoplastische Kunststoff Polypropylen ist, durch den Einsatz von ABS von Injektionsformqualität, Graft-Polypropylen und thermoplastischem Polyurethan, hergestellt in Übereinstimmung mit den Verfahren gemäß der Erfindung.

Claims

Verfahren zur Herstellung kontinuierlicher Verbundextrusionen (9, 10) aus thermoplastischem Material mit kontinuierlichen gebündelten Fäden (1a) einer Faserverstärkung, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt der Bereitstellung eines thermoplastischen Materials mit einer relativ hohen Viskosität in geschmolzenem Zustand, Bereitstellen eines Polymers von relativ niedriger Viskosität in geschmolzenem Zustand und anschließendes Einsetzen dieses geschmolzenen Polymers zum Imprägnieren der Fäden (1) der Faserverstärkung zur Bildung eines imprägnierten gebündelten Streifens (1a, 16, 17), Extrudieren des geschmolzenen thermoplastischen Materials durch ein Extrusionswerkzeug (7), und während der Extrusion Beschicken des imprägnierten Streifens (1a) durch das Werkzeug zur Bildung eines kontinuierlichen Verbundes (10) mit dem thermoplastischen Material und anschließendes Kühlen der Verbundextrusion, dadurch gekennzeichnet, daß als Teil des Imprägnierungsverfahrens für das Bündel der Fäden der Faserverstärkung die Fasern veranlaßt werden, durch eine Reihe von versetzten Stiften (5) oder Rollen zu passieren, um die Fasern zu veranlassen, sich vollständig mit dem geschmolzenen imprägnierten Polymeren zu vermischen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material mit relativ hoher Viskosität PVC ist und das Polymer mit relativ geringerer Viskosität glycolmodifiziertes PET ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte des Vorerhitzens der verstärkten Fasern (1) auf eine Temperatur einschließt, die sich der Schmelztemperatur des Polymer von relativ niedriger Viskosität in geschmolzenem Zustand nähert, und anschließend die Fasern imprägniert mit den geschmolzenen Polymeren niedriger Viskosität zur Bildung gebündelter Fäden (1a) der Fasern, imprägniert mit dem Polymeren niedriger Viskosität, und anschließend die imprägnierten Fäden coextrudiert mit einem Polymer relativ hoher Viskosität zur Herstellung einer kontinuierlichen Verbundextrusion (10) aus thermoplastischem Material, enthaltend kontinuierliche gebündelte Fäden der Faserverstärkung.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnierungspolymer ursprünglich in Fadenform vorliegt und dann vermischt wird mit den Fäden der Faserverstärkung, um anschließend hierum geschmolzen zu werden zur Bildung eines imprägnierten Bündels von Fasern, woran anschließend das Bündel coextrudiert wird mit einem Polymer relativ hoher Viskosität zur Bildung einer Verbundextrusion.
Verbundaufbauelement (10), hergestellt gemäß dem Verfahren eines der vorangehenden Ansprüche, wobei das Aufbauelement einen oder mehrere Bereiche einer lokalisierten Versteifung umfaßt, bereitgestellt durch gebündelte Streifen (16, 17) aus Faserverstärkung.
Verbundaufbauelement gemäß Anspruch 5, einen Glanzstab (10) bildend, wobei die gebündelten Streifen (16, 17) einen oder mehrere Bereiche von lokalisierten Versteifungen des Glanzstabes bilden.