DE69001834T2

DE69001834T2 - Verfahren zur Herstellung von polyalkenische Fasern enthaltenden Gegenständen.

Info

Publication number: DE69001834T2
Application number: DE90200428T
Authority: DE
Inventors: Peter Bruinink; Martinus Johannes Nicol Jacobs
Original assignee: DSM NV
Current assignee: Koninklijke DSM NV
Priority date: 1989-02-25
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: EP0385543A1; KR900012756A; CA2010781C; DE69001834D1; EP0385543B1; CA2010781A1; KR920001647B1; ES2043240T3; JPH02252510A; NL8900475A; ATE90267T1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Gegenständen, die Polyalkenfasern mit einem Modul von mindestens 60 GPa und einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa und eine thermoplastische Polymermatrix enthalten.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 4 501 856 bekannt. In einer Ausführungsform des Verfahrens, wie es in dieser PS beschrieben ist, werden die Fasern mit einem thermoplastischen Polymer überzogen, das als Matrix dient, und in einer gewünschten Netzwerkstruktur angeordnet. Die Struktur wird anschließend bei erhöhtem Druck unter gleichzeitigem Erhitzen geformt. In einer anderen Ausführungsform werden aufeinanderfolgende Schichten von Fasern und Folien eines thermoplastischen Polymers, das als Matrix dient, zu einem Stapel aufeinandergelegt. Bei erhöhtem Druck und unter gleichzeitigem Erhitzen wird das Paket anschließend geformt.
Der Kürze halber wird das als Matrix dienende thermoplastische Polymer im nachstehenden Matrixpolymer bezeichnet.
Ein größerer Nachteil des oberwähnten, in der US-PS 4 501 856 beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß das Matrixpolymer an der Oberfläche der zur Formgebung verwendeten Vorrichtung haften bleibt. Als Folge davon kann der nach der Formgebung erhaltene Gegenstand nicht ohne weitere Mittel von der Vorrichtung getrennt werden. Ein weiterer größerer Nachteil liegt darin, daß das Formgebungsverfahren so ein zeitraubender Vorgang ist, weil die Fasern und das Matrixpolymer vor Beendigung des Formgebungsvorganges durch die Vorrichtung auf die gewünschte Temperatur gebracht werden müssen.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzusehen, das diese Nachteile nicht aufweist.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Fasern und das Matrixpolymer auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers und unterhalb des Schmelzpunktes der Fasern vorerhitzt werden und danach der Formgebungsschritt durch eine Vorrichtung, deren Temperatur unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers liegt, durchgeführt wird. Die Folge ist, daß der Gegenstand nicht an der Vorrichtung haftet. Es wird auch eine wesentliche Verminderung der Zykluszeit erzielt, weil die Fasern und das Matrixpolymer während der Formgebung nicht mehr von der Vorrichtung erhitzt werden müssen.
Polyalkenfasern mit einem Modul von mindestens 60 GPa und einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können durch ein Gelspinnverfahren, wie in GB-A-2 042 414 und GB-A-2 051 667 beschrieben, hergestellt werden. Dieses Verfahren besteht im wesentlichen in der Herstellung einer Lösung eines Polyalkens mit einem hohen gewichtsmittleren Molgewicht (MG > 4 x 10&sup5;), im Behandeln der Lösung bei einer Temperatur oberhalb der Lösungstemperatur des Polymers zur Bildung von Fasern, im Abkühlen der Fasern auf unterhalb Lösungstemperatur, so daß Gelieren erfolgt, und im Ziehen der Fasern, während das Lösungsmittel entfernt wird.
Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn das gewählte Polyalken Polyäthylen (PE) ist. Diese PE kann eine geringe Menge, vorzugsweise höchstens 5 Mol-%, eines oder mehrerer anderer Alkene enthalten, die damit copolymerisiert sein können, wie Propylen, Butylen, Penten, Hexen, Octen und 4-Methylpenten, und können 1 bis 10, vorzugsweise 2 bis 6, Methyl- oder Äthylgruppen pro 1000 Kohlenstoffatome aufweisen.
Andere Polyalkene sind ebenfalls geeignet, wie beispielsweise Polypropylenhomo- und -copolymere. Die verwendeten Polyalkene können auch geringe Mengen eines oder mehrerer anderer Polymere, insbesondere Alken-1-polymere, enthalten.
Unter Fasern sind Körper zu verstehen, die eine große Länge in bezug auf die Breite und die Dicke aufweisen.
Von den so erhaltenen Polyalkenfasern können unter Anwendung der bekannten Verfahren beispielsweise des Bündelns, Drehens und/oder Zwirnens der Fasern Garne hergestellt werden.
Von den so erhaltenen Garnen können durch bekannte Verfahren textile Strukturen hergestellt werden, wie beispielsweise Stoffe mit glatter Webung, Satinwebung, Körperwebung oder Velourwebung, gewirkte Stoffe oder durch Anordnung der Fasern in einer Richtung. Es ist auch möglich, die Fasern unter Bildung einer textilen Struktur zu verarbeiten, ohne zuerst ein Garn daraus herzustellen.
Geeignet zur Verwendung als Matrixpolymer sind Polyäthylen, Copolymere von Äthylen mit einem oder mehreren anderen Monomeren, wie beispielsweise einem anderen Alken, wie Propylen, Butylen, Penten, Hexen und Octen; eine Vinylverbindung, wie Vinylacetat und Vinylalkohol; eine ungesättigte Säure, wie Acrylsäure und Methacrylsäure; ein Alkylacrylat, wie Methylacrylat und Methylmethacrylat oder Mischungen der obgenannten polymeren Verbindungen. Geeignet sind auch Copolymere von Styrol und Butadien. Abgesehen davon kann das Matrixpolymer auch aus einer polymeren Verbindung, wie Polyvinylchlorid, bestehen, der ein Weichmacher zugesetzt wurde.
Die Fasern, Garne oder textilen Strukturen und das Matrixpolymer können auf verschiedene Weisen vereinigt werden.
Beispielsweise ist es möglich, unter Anwendung der bekannten Verfahren die Fasern oder Garne unter Bildung einer Struktur einer oder mehrerer Schichten von Fasern oder Garnen zu wickeln und während des Wickelns eine Folie des Matrixpolymers auf die Schichten aufzubringen. Weiters ist es möglich, die Fasern oder Garne zu überziehen, indem die Fasern oder Garne durch eine Schmelze oder eine Lösung der Polymermatrix geleitet werden und anschließend das auf die Fasern oder Garne aufgebrachte Matrixpolymer durch Abkühlen bzw. Abdampfen des Lösungsmittels verfestigt wird. Die so erhaltenen überzogenen Fasern oder Garne können gemäß bekannten Verfahren unter Bildung einer Struktur einer oder mehrerer Schichten gewickelt werden.
Weiterhin ist es möglich, eine textile Struktur von Polyalkenfasern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa und einem Modul von mindestens 60 GPa in Stücke zu schneiden und die Stücke unter Bildung von Paketen zu vereinigen und während des Verfahrens Stücke der Matrixpolymerfolie zwischen die Stücke der textilen Struktur einzufügen. Diese Pakete müssen aus mindestens einem Stück textiler Struktur und einem Stück Folie bestehen. Es ist auch möglich, die textile Struktur durch eine Schmelze oder eine Lösung des Matrixpolymers zu führen oder die Schmelze oder Lösung des Matrixpolymers in einer Schicht auf eine oder beide Seiten der textilen Struktur auf verschiedene Weise aufzubringen und anschließend das so aufgebrachte Matrixpolymer durch Kühlen bzw. Abdampfen des Lösungsmittels davon zu verfestigen. Die so erhaltene überzogene textile Struktur kann dann in Stücke geschnitten werden. Die Stücke können unter Bildung eines Paketes vereinigt werden.
Es ist auch möglich, unter Anwendung eines der oben beschriebenen Verfahren die Polyalkenfasern oder Garne hievon mit Matrixpolymer zu überziehen und danach daraus eine textile Struktur herzustellen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine textile Struktur von den Polyalkenfasern oder Garnen hievon zusammen mit Fasern oder Garnen des Matrixpolymers herzustellen. Eine so erhaltene textile Struktur kann in Stücke geschnitten werden. Die Stücke können unter Bildung eines Paketes vereinigt werden.
Eine gemäß den oben beschriebenen verschiedenen Verfahren erhaltene gewickelte Struktur oder ein Paket, in welcher Struktur oder in welchem Paket Polyalkenfasern mit einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa und einem Modul von mindestens 60 GPa oder Garne bzw. Stücke textiler Struktur hievon mit Matrixpolymer vereinigt sind, wird beispielsweise mit Heißluft oder Infrarotbestrahlung vorerhitzt. Die Temperatur, bei der die gewickelte Struktur oder das Paket vorerhitzt wird, liegt unterhalb des Schmelzpunktes der Polyalkenfasern und oberhalb des Erweichungs- oder Schmelzpunktes des Matrixpolymers. Eine derartige vorerhitzte, gewickelte Struktur oder ein Paket wird anschließend unter Verwendung einer Vorrichtung, wie einer Preßform, geformt, deren Temperatur unterhalb des Erweichungs- oder Schmelzpunktes des Matrixpolymers liegt. Die Formgebung muß kurz, nachdem die gewickelte Struktur oder das Paket mit der Vorrichtung in Berührung gelangt ist, beendet sein, damit während der Formgebung die Temperatur des Matrixpolymers noch hoch genug ist, um zu ermöglichen, daß das Material zwischen die Polyalkenfasern fließt und die verschiedenen Schichten, aus denen die gewickelte Struktur oder das Paket aufgebaut ist, aneinander bindet und dem Ganzen die Gestalt eines Gegenstandes gibt. Nach Beendigung der Formgebung wird der so erhaltene Gegenstand lange genug mit der Vorrichtung in Berührung gehalten, damit der Gegenstand geeignet abkühlen kann, so daß er dimensionsstabil ist und nicht an der Vorrichtung haften bleibt, damit er leicht daraus entfernt werden kann.
Anstelle einer gewickelten Struktur oder eines Paketes ist es möglich, auf die oben beschriebene Weise ein Stück der mit Matrixpolymer überzogenen textilen Struktur, hergestellt aus mit Matrixpolymer überzogenen Fasern oder Garnen oder hergestellt aus Polyalkenfasern oder Garnen und Fasern oder Garnen des Matrixpolymers, vorzuerhitzen und zu formen.
Es ist auch möglich, Schichten der textilen Struktur, die mit Matrixpolymer vereinigt sind, oder Schichten der textilen Struktur und Folien des Matrixpolymers getrennt oder nachdem sie aufeinandergelegt wurden, vorzuerhitzen und anschließend einen Teil hievon zur Bildung eines Produktes zu formen und während der Formgebung oder danach das Produkt aus den Schichten von Stoff und Folien zu schneiden.
Es ist auch möglich, Schichten der textilen Struktur, die mit Matrixpolymer vereinigt sind, vor der Formgebung bei einer Temperatur oberhalb des Schmelz oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers und unterhalb des Schmelzpunktes der Fasern zu komprimieren, beispielsweise durch Führen der Schichten durch einen Kalander. In diesem Verfahren wird eine Schicht Silikonpapier auf die Oberseite und die Unterseite des Paketes von Schichten aufgebracht, um zu verhindern, daß das Paket an den Kalanderwalzen haften bleibt. Um Adhäsion zu vermeiden, können die Kalanderwalzen auch gekühlt werden.
Es sind noch weitere Ausführungsformen des Verfahrens möglich. Jedoch werden in allen Ausführungsformen die Fasern und das Matrixpolymer auf eine Temperatur oberhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers und unterhalb des Schmelzpunktes der Fasern vorerhitzt. Die Formgebung wird anschließend mit einer Vorrichtung bewirkt, deren Temperatur unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers liegt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist von besonderem Vorteil für die Herstellung von Gegenständen mit kleiner Dicke, weil diese mit einer sehr kurzen Zykluszeit bewirkt werden kann.
Ein Beispiel eines Gegenstandes mit kleiner Dicke ist eine Schallmembran, wie sie in Lautsprechern verwendet wird. Die nach dem Verfahren hergestellten Schallmembranen sehen eine bessere Schallwiedergabe vor als die bekannten Schallmembranen. Dies trifft besonders auf die aus gewickelten Strukturen hergestellten Schallmembranen zu. Die Schallmembranen haben gewöhnlich eine Dicke von weniger als 10 mm. Eine Schallmembran kann aus einem Paket von 1 bis 10 Schichten, vorzugsweise 1 bis 5 Schichten Garnen, Fasern oder textiler Struktur hergestellt werden. Die Schichten werden mit Matrixpolymer vereinigt. Das Paket wird auf die gewünschte Formgebungstemperatur gebracht und anschließend in einer Preßform unter Bildung einer Schallmembran geformt. Die Formgebungstemperatur liegt oberhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers und unterhalb des Schmelzpunktes der Fasern. Die Temperatur der Preßform beträgt 20 bis 100ºC, vorzugsweise 20 bis 60ºC. In Abhängigkeit von der Zahl von Schichten beträgt die Preßzeit 2 bis 200 Sekunden, vorzugsweise 2 bis 50 Sekunden.
Alle Ausführungsformen des oben beschriebenen Verfahrens sind zur Anwendung bei der Herstellung von Gegenständen mit kleiner Dicke, wie Schallmembranen, geeignet.
Die Erfindung wird in den nachstehenden Beispielen an Hand der Zeichnung erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein.
In Fig. 1 der Zeichnung ist eine schematische Darstellung einer Formgebungsvorrichtung mit einem zu formenden Paket angegeben.

Beispiel I:

Ein rechteckiges Paket wird aus 2 Schichten Stoff und 3 Schichten Folie, Abmessungen 250 x 250 mm, gebildet. Der Stoff ist aus Dyneema SK 60-Garnen in einer glatten Webart hergestellt und hat ein Gewicht von 120 g/m². Dyneema SK 60 ist ein durch das Gelspinnverfahren hergestelltes Polyäthylengarn und wird von HPF geliefert. Die Folie ist aus Stamylex 4408 hergestellt und hat eine Dicke von 50 um. Stamylex ist ein von DSM geliefertes Polyäthylen. Das Paket wird in einem Luftheizschrank auf 120ºC vorerhitzt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das Paket (3) auf eine Preßform für eine Schallmembran (1) gelegt. Die Preßform ist in einer Form (2), Type BDM 2000, der Firma Battenfeld angeordnet. Die Temperatur der Preßform beträgt 60ºC. Die Preßform wird bei einer Geschwindigkeit von 300 mm/s über einen Abstand von 295 mm und anschließend bei einer Geschwindigkeit von 10 mm/s über einen Abstand von 5 mm geschlossen.
Anschließend wird das Paket 10 s in der so geschlossenen Preßform gekühlt. Auf diese Weise wird eine Schallmembran mit homogener Struktur erhalten. Die Schallmembran haftet nicht an der Form. Der gesamte Formgebungszyklus dauert etwa 40 s.

Vergleichsbeispiel A:

Das Paket von Beispiel I wird auf die Preßform von Beispiel I gelegt. Die Temperatur der Form beträgt 120ºC. Die Form wird mit einer Geschwindigkeit von 300 m/s über einen Abstand von 295 mm und anschließend mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s über einen Abstand von 5 mm geschlossen.
Nach 10 s wird die Preßform auf etwa 60ºC gekühlt. Die dafür benötigte Zeit beträgt 10 min. Auf diese Weise wird eine Schallmembran mit homogener Struktur erhalten. Die Schallmembran haftet nicht an der Preßform. Nach dem Entfernen der Schallmembran aus der Preßform wird letztere wieder auf 120ºC erhitzt. Die dafür benötigte Zeit beträgt 10 min. Der gesamte Formgebungszyklus dauert etwa 21 min. Dies ist eine wesentliche Zunahme der Zykluszeit des Preßformverfahrens im Vergleich mit dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren.

Vergleichsbeispiel B:

Das Paket von Beispiel I wird auf die Preßform von Beispiel I gelegt. Die Temperatur der Preßform beträgt 120ºC. Die Preßform wird mit einer Geschwindigkeit von 300 mm/s über einen Abstand von 295 mm und mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s über einen Abstand von etwa 5 mm geschlossen. Nach 10 s wird die Preßform geöffnet. Die gebildete Schallmembran haftet an der Oberfläche der Preßform und kann nicht davon entfernt werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Gegenständen, die Polyalkenfasern mit einem Modul von mindestens 60 GPa und einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa und eine thermoplastische Polymermatrix enthalten, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fasern und das Matrixpolymer auf eine Temperatur oberhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers und unterhalb des Schmelzpunktes der Fasern vorerhitzt werden und daß danach der Formgebungsschritt mit einer Vorrichtung, deren Temperatur unterhalb des Schmelz oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers liegt, bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände Polyäthylenfasern mit einem Modul von mindestens 60 GPa und einer Zugfestigkeit von mindestens 2 GPa enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Matrixpolymer Polyäthylen oder ein Copolymer von Äthylen mit einem oder mehreren anderen Monomeren ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern und das Matrixpolymer dadurch vereinigt werden, daß Folien auf gewickelte Schichten von Garn oder auf Stücke einer textilen Struktur der Fasern gelegt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern und das Matrixpolymer durch Überziehen eines Garns oder einer textilen Struktur der Fasern mit dem Matrixpolymer vereinigt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern und das Matrixpolymer durch Behandeln der Fasern oder Garne hievon zusammen mit Fasern oder Garnen des Matrixpolymers vereinigt werden, wobei eine textile Struktur gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Matrixpolymer vereinigten Schichten der textilen Struktur zuerst bei einer Temperatur oberhalb des Schmelz oder Erweichungspunktes des Matrixpolymers und unterhalb des Schmelzpunktes der Fasern komprimiert und anschließend auf die gewünschte Formgebungstemperatur vorerhitzt und geformt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gewickelte Struktur oder das Paket, die oder das vorerhitzt und geformt wird, 1 bis 10 Schichten Garn, Fasern oder textile Struktur enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gewickelte Struktur oder das Paket, die oder das vorerhitzt und geformt wird, 1 bis 5 Schichten Garn, Fasern oder textile Struktur enthält.