DE60303593T2 - Bindemittel für endlos-vliesbahnen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Endlosfasermatten (Vliese) und insbesondere ein Bindemittelsystem für eine Endlosfasermatte.
  • Endlosfasermatten sind allgemein bekannt und als eine Komponente bei faserverstärkten Verbundstoffteilen in Benutzung.
  • Zum Herstellen eines faserverstärkten Phenolharzteils mit einer Endlosfasermatte muss zunächst die Endlosfasermatte erzeugt werden. Herkömmlicherweise wird die Endlosfasermatte zunächst durch Einführen einer Schlichte in die Endlos-Glasfaser durch bekannte Verfahren erzeugt. Ein Polyesterbindemittel wird dann in die geschlichtete Faser unter Benutzung einer Florstreichmaschine oder eine ähnliche Technik zum Überschwemmen der Glasfaser eingeführt. Die überschwemmte, geschlichtete Faser wird dann zum Ausbilden einer Endlosfasermatte in einem Ofen getrocknet. Anschließend werden die Bahn und (ein) Glas-Roving(s) mit einem Phenolharz angefeuchtet, typischerweise durch Führen von Bahn und Roving durch ein Phenolharzbad. Die angefeuchtete Bahn und Glas-Roving werden dann in eine erhitzte Pultrusionsform eingeführt. Die Form formt die Bahn und Glas-Roving zu einem Harz/-Glas-Verbund, der dann zum Ausbilden eines pultrudierten Teils gehärtet wird.
  • Ein Problem bei bekannten Verfahren ist, dass die Polyesterbindematerialien, die zum Ausbilden der Endlosfasermatten in Benutzung sind, nicht völlig mit den Phenolharzen kompatibel sind, die die Harzmatrix ausbilden. Dies beeinflusst die Leistung des Verbundteils. Es ist daher höchst wünschenswert, ein Bindemittel herzustellen, das mit dem Phenolharzbad völlig kompatibel ist, wodurch faserverstärkte Phenolharzverbundteile mit potentiell überlegenen Leistungskennzeichen ausgebildet sind.
  • Im Stand der Technik offenbart US 4786528 Epoxy-Glasfaserprepregs, die ein Bisphenol-Epoxydharz-Dicyandiamid und Gamma-Aminopropylsilan enthalten.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Bindemittel herzustellen, das mit dem Phenolharzbad völlig kompatibel ist, wodurch ein faserverstärktes Phenolharzverbundteil mit potentiell überlegenen Leistungskennzeichen ausgebildet ist.
  • Die vorliegende Erfindung benutzt ein Bisphenol-Epoxyd mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Mittel (Dicyandiamid), das in einer Schwemmflüssigkeit dispergiert ist, vorzugsweise mit einem nichtionischen Tensid, Gamma-Aminopropyltrimethoxysilan, einem Entschäumer und Wasser. Außerdem ist eine organische Säure zur pH-Regelung enthalten. Der Pulverbinder und die Schwemmflüssigkeit wirken als ein System zum Binden der mehreren Glasfasern zu einer Bahn. Da das Bisphenolepoxydpulver und das thermisch aktive, vernetzende Mittel mit dem Phenolharz im Vergleich zu herkömmlichen ungesättigten Polyesterbindemitteln, die nicht kompatibel sind, kompatibel sind, sind pultrudierte Teile mit verbesserten Leistungskennzeichen ausgeführt.
  • Zudem könnte die in dem oben genannten Prozess ausgebildete Endlosfasermatte außerdem in einer Epoxydanwendung benutzt sein, die einen Prepreg-Prozess zum Ausbilden eines Laminatmaterials benutzt, welches anschließend zum Ausbilden eines Verbundlaminatteils pressgeformt sein könnte.
  • Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden auf Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung und der angehängten Ansprüche hin sowie durch Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines Prozesses zum Herstellen einer Endlosfasermatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein schematisches Diagramm zum Herstellen eines pultrudierten Verbundteils aus der Endlosfasermatte von 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 ist ein schematisches Diagramm zum Herstellen eines Epoxydprepregbands aus der Endlosfasermatte von 1 gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist ein bevorzugter Arbeitsprozess zum Ausbilden einer Endlosfasermatte (Vlieses) 50 allgemein als 10 gezeigt. Ein oder mehrere Stränge einer Endlosfaser 12 werden durch Schmelzen einer Menge von Glas oder anderem Verstärkungsmaterial, typischerweise in Form von Murmeln, auf eine im Stand der Technik allgemein bekannten Art und Weise in einem Ofen 14 ausgebildet. Eine Schlichtzusammensetzung 18 wird in die einen oder mehreren Faserstränge 12 eingeführt. Die Schlichtzusammensetzung enthält vorzugsweise ein phenolkompatibles Silan und ein Schmiermittel, das durch Walzenauftragen, Eintauchen, Überschwemmen oder jegliches andere, im Stand der Technik bekannte Verfahren in die Faser 12 eingeführt wird. Eine bevorzugte Zusammensetzung der Schlichtzusammensetzung 18 ist unten in Tabelle 1 aufgeführt.
  • Die geschlichteten Fasern 12 werden dann durch ein Paar Rillenscheiben 14A und 14B zu einem Endlosstrang 13 zusammengeführt. Der Endlosstrang 13 kann auch in eine Mehrzahl von Bündeln oder Splits (n = 2 – 30) gespalten werden und wird im Folgenden zur einfacheren Beschreibung als Endlosstrang 13 bezeichnet. Der Endlosstrang 13 wird auf einem Förderband 16 angeordnet. Der Endlosstrang 13 wird dann das Förderband entlangbewegt und mit Endlosfasermatte(„CFM"-) Bindemittelmasse 24 überschwemmt. Die CFM-Bindemittelmasse enthält ein Polymerbindemittelmaterialpulver mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Mittel, dispergiert in Wasser mit einem kleinen Prozentgehalt an Gamma-Aminopropyltrimethoxysilan. Typischerweise ist der Masse außerdem ein Entschäumer und ein Dispergator zugesetzt. Eine bevorzugte Zusammensetzung der Masse ist unten in Tabelle 2 aufgeführt.
  • Die ausgebildete CFM-Bindemittelmasse 24 wird dann von einem Sammeltank 26 zu einer Florstreichmaschine 28 befördert, in der die Mischung den Endlosstrang 13 überschwemmt. Die überschüssige Flüssigkeit wird durch Absaugen aus dem Strang 13 beseitigt. Die Stränge 13 werden dann zur Feuchtigkeitsbeseitigung und zum Härten zu einem Ofen 15 geleitet und dann in mehreren Pressen 16 zum Ausbilden einer gebundenen Endlosfasermatte 50 gepresst. Der Ofen 15 ist vorzugsweise zwischen ungefähr 450 und 520 Grad Fahrenheit eingestellt. Nach der Entnahme werden die gebundenen Endlosfasermatten 50 durch eine Schlitzmaschine 30 geschlitzt, durch eine Schneidvorrichtung 32 auf eine bevorzugte Größe geschnitten und auf eine Pappkartonrolle 34 gerollt. Die gebundenen Endlosfasermatten 50, die auf die Pappkartonrolle 34 gerollt sind, sind mit dem CFM-Bindemittel in einem Bereich von 4 bis 8% des trockenen Gesamtgewichts des Bindemittels und der Mattierung beschickt.
  • Die wie oben ausgebildeten, gebundenen Matten 50 sind dann zur Kombinierung mit mehreren Glas-Rovings 52 zum Ausbilden eines pultrudierten Phenolverbundteils 60 verfügbar. Dies ist in 2 dargestellt. Zunächst werden die Matten 50 und mehrere Glas-Rovings 52 in ein Phenolbad 54 getaucht. Das Phenolbad 52 ist in der Technik allgemein bekannt und mit den Matten 50 mit dem CFM-Bindemittel kompatibel. Ein bevorzugtes Phenolpultrusionsharz zum Gebrauch in dem Pultrusionsphenolbad 30 ist beispielsweise Georgia Pacific's 289D17 Phenolharz.
  • Die Matten 50 und Rovings 52 werden dann in eine erhitzte Pultrusionsform 56 eingeführt. Die erhitzte Pultrusionsform 56 härtet den Harz-/Glasverbund zu einem Verbundteil 60. Die Zeit und die Temperatur innerhalb der erhitzten Pultrusionsform 56 sind derart gewählt, dass gewährleistet ist, dass das Verbundteil 60 vollständig gehärtet ausgebildet wird. Vorzugsweise beträgt die Temperatur innerhalb der erhitzten Pultrusionsform 56 zwischen ungefähr 375 und 450 Grad Fahrenheit, und die Zeit ist ausreichend, um ein vollständig gehärtetes Teil zu gewährleisten.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann das Phenolbad durch ein Urethanbad ersetzt sein. Die Urethanharzzusammensetzung ist wie die Phenolharzzusammensetzung kompatibel mit dem CFM-Bindemittel, das in der Matte 50 enthalten ist. Ein bekanntes Urethansystem, das bei der Pultrusion nützlich ist, beinhaltet die Dow Fulcrum Technologie http://www.dow.com/fulcrum/lit.html, die bei Dow Chemical aus Midland, MI, USA, erhältlich ist. Die Härtungstemperatur für das Urethanverbundteil, das in der erhitzten Pultrusionsform 56 ausgebildet ist, ist typischerweise niedriger als die des Phenolverbundteils 56, mit bevorzugten Temperaturen zwischen ungefähr 250 und 350 Grad Fahrenheit.
  • In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform, wie sie in 3 gezeigt ist, kann ein Epoxydprepreg 70 aus den wie oben ausgebildeten Matten 50 erzeugt sein. Bei diesem Prozess werden die Fasern 12 durch die Schlichtzusammensetzung 18 und das CFM-Massebad 24 zum Ausbilden der gebundenen Matte 50 geführt, wie oben in 1 beschrieben. Die Matten 50 werden dann in ein Epoxydbad 62 getaucht und in einem Ofen 64 zu dem Epoxydprepreg 70 vorausgebildet. Vorzugsweise ist der Ofen auf zwischen 300 und 400 Grad Fahrenheit eingestellt und die Transportgeschwindigkeit ausreichend zum Härten des Epoxydprepregs eingestellt, typischerweise ungefähr 5 bis 10 Minuten. Die Schichten des Epoxydprepregs 70 werden dann in einer Presse 66 zum Ausbilden eines Verbundteils 72 zusammengepresst. Dieses Verbundteil 72 kann in einer großen Vielfalt von Anwendungen wie Elektrolaminaten benutzt sein, die in der Technik allgemein bekannt sind.
  • Ein bevorzugtes Beispiel eines Epoxydbads 62, das in der vorliegenden Erfindung benutzt sein kann, ist in Tabelle 1 und 2 von G. A. Hunter's Artikel „Pultruding Epoxy Resin", 1988, präsentiert auf der von der Society of Plastics Industriy, Inc., gesponserten 43. Annual Conference, besprochen.
  • Vlies- und Roving-Material
  • Das Material der Matte 50 ist vorzugsweise ein Endlosvliesglasfasermaterial. Dies kann S-Glasfasern oder E-Glasfasern und andere handelsübliche Glasfasern beinhalten, die in der Technik allgemein bekannt sind. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist E-Glas benutzt.
  • Das Material der Rovings 52 ist ebenfalls vorzugsweise ein Endlosvliesglasfasermaterial. Dies kann S-Glasfasern oder E-Glasfasern und andere handelsübliche Glasfasern beinhalten, die in der Technik allgemein bekannt sind. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist E-Glas benutzt. Zudem kann das Verfahren zum Herstellen des Glasrovingmaterials jegliches Verfahren beinhalten, das in der Technik allgemein bekannt ist.
  • Schlichtzusammensetzung
  • Die Schlichtzusammensetzung 18 ist durch Mischen eines phenolkompatiblen Silans in Wasser hergestellt. Der pH-Wert der sich ergebenden Mischung wird dann durch Zusetzen einer Säure wie Essigsäure auf zwischen 4 und 6 eingestellt. Ein bevorzugtes Silan, das benutzt sein kann, ist ein Gamma-Aminopropyltrimethoxysilan wie Witco-Osi's A-1100. Der sich ergebenden Mischung wird zumindest ein Schmiermittel zugesetzt, und der pH-Wert wird unter Benutzung von Essigsäure erneut auf zwischen 4 und 6 eingestellt. Zwei bevorzugte Schmiermittel sind Cirrosol 185AE und 185AN, jeweils von ICI America hergestellt. Cirrosol 185AE ist ein Octan(Capryl-) Säure-Tetraethylenpentaminkondensat, das mit Essigsäure gelöst ist, während 185AN ein Nonan- (pe/Argon-) Säure-Tetraethylenpentaminkondensat ist, das mit Essigsäure gelöst ist. Eine bevorzugte Schlichtzusammensetzung ist unten in Tabelle 1 gezeigt: TABELLE 1: SCHLICHTZUSAMMENSETZUNG 18
    Figure 00070001
  • CFM-Bindemittelmasse
  • Gegenwärtige Bindemittelmaterialien nutzen ungesättigte Polyesterbindemittel, die eine unannehmbare Leistung in Phenolpultrusionssystemen gezeigt haben. Man geht davon aus, dass die Polyesterbindemittel keine kompatible Übergangszone mit den Phenolbindemittelharzen bereitstellen. Das CFM-Bindemittelsystem der vorliegenden Erfindung löst dieses Problem durch Bereitstellen einer kompatiblen Übergangszone.
  • Die CFM-Bindemittelmasse 24 wird durch Dispergieren eines Polymerharzpulvers mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Mittel in Wasser hergestellt. Ein bevorzugtes Polymerharzpulver mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Mittel ist ein Bisphenol-Epoxydharz mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Dicyandiamidmittel wie Pretex 110, von Reichold hergestellt. Ein oder mehrere nichtionische Tenside werden typischerweise als Dispergator und Entschäumer zugesetzt. Außerdem wird Witco-OSI's A-1100 Silan zugesetzt. Schließlich wird der pH-Wert unter Benutzung von Essigsäure auf zwischen 4 und 6 eingestellt. Eine bevorzugte Zusammensetzung der CFM-Bindemittelmasse ist unten in Tabelle 2 gezeigt:
  • TABELLE 2: CFM-BINDEMITTELMASSE 24
    Figure 00080001

Claims (7)

  1. CFM-Bindemittelmasse für eine Endlos-Vliesbahn verwendet in einem Phenolpultrusionssystem, umfassend: Gamma-Aminopropyltrimethoxysilan; und ein Bisphenol-Epoxydharzpulver mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Dicyandiamidharz.
  2. CFM-Bindemittelmasse nach Anspruch 1, ferner umfassend ein nichtionisches Tensid, einen Entschäumer, Wasser und eine organische Säure.
  3. CFM-Bindemittelmasse nach Anspruch 2, wobei die organische Säure Essigsäure ist, und wobei der pH der CFM-Bindemittelmasse zwischen ungefähr 4 und 6 gehalten ist.
  4. CFM-Bindemittelmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gamma-Aminopropyltrimethoxysilan Witco-OSI A-1100 ist.
  5. CFM-Bindemittelmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bisphenol-Epoxydharzpulver mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Dicyandiamidharz Pretex 110 umfaßt.
  6. Verfahren zum Herstellen einer Endlos-Vliesbahn, folgende Schritte umfassend: Bereitstellen von zumindest einer Endlos-Vliesfaser; Auftragen einer Schlichtzusammensetzung auf jede der zumindest einen Endlos-Vliesfasern; Ausbilden der zumindest einen Endlos-Vliesfaser zu einem Endlos-Faserstrang; Auftragen eines CFM-Bindemittels auf den Endlos-Faserstrang, wobei das CFM-Bindemittel Gamma-Aminopropyltrimethoxysilan und ein Bisphenol-Epoxydharzpulver mit einem thermisch aktiven, vernetzenden Dicyandiamidharz umfaßt; und Trocknen und Härten des CFM-Bindemittels auf dem Endlos-Faserstrang; Pressen des Endlos-Faserstrangs mit dem CFM-Bindemittel zum Ausbilden einer Endlos-Vliesbahn.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das getrocknete CFM-Bindemittel zwischen 4 und 8 % des Gesamtgewichts der Endlos-Vliesbahn umfaßt.
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