DE69002808T2

DE69002808T2 - Verfahren und Apparat zum Imprägnieren von Endlos-Faserbündeln.

Info

Publication number: DE69002808T2
Application number: DE90306406T
Authority: DE
Inventors: Pauli Marttila
Original assignee: Neste Oyj
Current assignee: Borealis AS
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: DE69002808D1; CA2020874C; FI91373C; DK0415517T3; CA2020874A1; ES2044443T3; US5084305A; FI91373B; FI893438A0; FI893438A; EP0415517A1; ATE93182T1; EP0415517B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnieren von Endlos-Faserbündeln. Das Verfahren und die Vorrichtung nach vorliegender Erfindung sind dazu geeignet, Faserbündel mittels geschmolzenem oder flüssigem Harz während der Herstellung von faserverstärkten Materialien zu imprägnieren, die aus einem verstärkten Faserbündel oder Faserbündeln bestehen, die an ein thermoplastisches Harzmaterial, das eine Matrix bildet, gebunden sind.
Das größte Problem, das sich bei der Herstellung der genannten Produkte ergibt, ist die hohe Viskosität bestimmter Materialien im Matrixharz. Da einzelne Fasern in Faserbündeln sehr eng nebeneinanderliegen, ist es schwierig, das Harzmaterial so in ein Faserbündel eindringen zu lassen, daß alle einzelnen Fasern davon umgeben werden. Dieser Vorgang ist jedoch unverzichtbar, wenn man die Eigenschaften des Produktes, wie beispielsweise Festigkeit, Steifigkeit, chemische Beständigkeit, Weiterverarbeitbarkeit usw., in Betracht zieht.
Es ist versucht worden, eine Reihe von Lösungen für dieses Problem zu entwickeln. Bei einer Methode werden die Faserbündel durch eine sogenannte Querkopfdüse geführt, wobei geschmolzenes oder flüssiges Harz in die Faserbündel gedrückt wird, die sich bei höherem Druck durch den Düsenraum bewegen. Das Querkopfverfahren hat sich für das Imprägnieren von Faserbündeln mit thermoplastischen Harzen als unwirksam erwiesen, weil dabei nicht alle einzelnen Fasern vom Harz eingeschlossen werden, obwohl die Fasern während der Imprägnierungsphase unter einem höheren Druck gehalten werden. Für das Imprägnieren von Verstärkungsfasern wäre ein Viskositätsbereich des Harzes von 1 bis 10 PaS ideal, wobei die übliche Größenordnung bei 10² PaS liegt, während in einigen Fällen eine Größenordnung von 10³ PaS akzeptabel ist. Ein typischer Viskositätsbereich für geschmolzene thermoplastische Harze liegt jedoch in einer Größenordnung von 10² bis 10&sup6; PaS; daraus ergibt sich, daß mit dem genannten Querkopfverfahren eine Umhüllung aller einzelnen Fasern mit Harz nicht erfolgreich durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnieren eines Endlos- Faserbündels oder von Faserbündeln mittels geschmolzenem oder flüssigem Reaktionsharz, wobei selbst einzelne Fasern vom Harz eingeschlossen werden. Das Verfahren nach vorliegender Erfindung zum Imprägnieren eines Endlos-Faserbündels oder von Faserbündeln mittels geschmolzenem thermoplastischen Harz oder Reaktionsharz während der Herstellung von faserverstärktem Material, wobei das genannte Material ein oder mehrere Faserbündel umfaßt, die mittels Matrixharz imprägniert werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Faserbündel so an einer Düsenöffnung vorbeigeführt werden, daß geschmolzenes Harz aus der Düse mit erhöhtem Druck quer durch das Faserbündel zu einem niedrigeren Druck fließt.
Im einfachsten Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach vorliegender Erfindung wird/werden ein zu imprägnierendes Faserbündel oder zu imprägnierende Faserbündel an der Öffnung eines Düsenkopfes vorbeigeführt, aus dem geschmolzenes Harz mit erhöhtem Druck austritt. Die Düse kann beispielsweise mit einem Extruder, in dem das Schmelzen und Verarbeiten des Kunststoffes erfolgen, oder mit einem Behälter verbunden sein, in dem die Bestandteile des härtbaren Harzes gemischt werden. Das zu imprägnierende Faserbündel kann dabei unter Atmosphärendruck oder, falls gewünscht, unter einem niedrigeren Druck gehalten werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach vorliegender Erfindung ist der Düsenkopf in einer geschmolzenes Harz enthaltenden Kammer angeordnet, durch die die zu imprägnierenden Faserbündel geführt werden. In der Kammer liegt dann ein niedrigerer Druck als in der Düse an, aus der das geschmolzene thermoplastische Harz austritt.
Mit Hilfe des Verfahrens nach vorliegender Erfindung kann jedes faserverstärkte Material hergestellt werden, bei dem die Fasern in Form von Bündeln angeordnet sind. Bei den Fasern kann es sich um alle Fasern handeln, die an ein Matrixharz gebunden werden können. Solche Produkte sind beispielsweise langfaserverstärkte Granulate für das Spritzgießen und andere Verfahren, vorgehärtete oder vorimprägnierte Materialien für konventionelle Verfahren wie das Strangziehen, Filamentwalzen, Bandlaminieren usw. Bei dem mit Hilfe des Verfahrens herzustellenden Produkt handelt es sich um ein Endlosband, das sich zum ziehen usw. eignet. Das Produkt bildet, wenn es auf die entsprechende Länge zugeschnitten ist, langfasrige Granulate von etwa 3 bis 20 mm Länge.
Bei dem Verfahren nach vorliegender Erfindung können somit Fasern, wie beispielsweise Glasfasern, Kohlenstoffasern und Aramidfasern, sowie thermoplastische Fasern eingesetzt werden. Zu den am häufigsten eingesetzten Verstärkungsfasern zählen Glasfaserprodukte in Form von Bündeln, wobei diese Produkte einzeln oder kombiniert als Bündel oder auch in Gewebe-, geflochtener oder anders ausgebildeter Form zum Einsatz kommen können. Glasfaserbündel enthalten typischerweise tausende einzelner Fasern, normalerweise mit einem Durchmesser von etwa 10 bis 17 um.
Bei dem Harzmaterial, das zum Binden von Verstärkungsfasern bei faserverstärktem Material verwendet wird, kann es sich beispielsweise um thermoplastisches Harz, das in geschmolzenem Zustand zum Imprägnieren von Bündeln eingesetzt wird, oder um härtbares Harz handeln, das nach erfolgter Imprägnierung durch äußere Energie, wie beispielsweise Wärme, chemische Reaktion, UV-Strahlung, Magnetfeldbehandlung usw., gehärtet wird.
Geeignete thermoplastische Harze sind beispielsweise Homopolymere und Copolymere von Olefinen, Homopolymere und Copolymere von Vinylchlorid, Polyethylenterephtalat, Homopolymere und Copolymere von Acrylnitril, Polyamide und Copolyamide, thermoplastische Polymere von Formaldehyd, Polycarbonat, Polysulfon sowie Mischungen von zwei oder mehreren der vorgenannten Polymeren.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Imprägnieren eines Endlos-Faserbündels oder von Faserbündeln mittels geschmolzenem oder flüssigem Reaktionsharz, wobei selbst einzelne Fasern vom Harz eingeschlossen werden. Die Vorrichtung nach vorliegender Erfindung zum Imprägnieren eines Endlos- Faserbündels oder von Faserbündeln mittels geschmolzenem oder flüssigem Reaktionsharz bei der erstellung von faserverstärktem Material, wobei das genannte Material ein oder mehrere vom Matrixharz eingeschlossene Faserbündel umfaßt ist dadurch gekennzeichnet, daß er ein oder mehrere Düsenelemente mit einer Düsenöffnung, um so geschmolzenes thermoplastisches oder härtbares Harz von einem höheren Druck zu einem niedrigeren Druck zu führen, sowie Elemente umfaßt, um die genannten Faserbündel so an der Düsenöffnung vorbeizuführen, daß das bei höherem Druck aus der Düsenöffnung austretende Harz durch die Faserbündel zu einem niedrigeren Druck hin fließt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach vorliegender Erfindung umfaßt diese eine Imprägnierkammer, in der die Imprägnierung erfolgt, wobei der in der Kammer anliegende Druck niedriger als derjenige in der Düse ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach vorliegender Erfindung werden die Faserbündel durch die Kammer geführt und an der Dusenöffnung oder den Düsenöffnungen an einem oder mehreren der Düsenelemente vorbeigeführt. Hierbei kann eine sogenannte Querkopfmethode in der Art angewendet werden, daß die Imprägnierkammer nicht direkt beispielsweise an einen Extruder, in dem der erforderliche Imprägnierdruck erzeugt wird , angeschlossen ist. Statt dessen fließt geschmolzenes Harz von einem höheren Druck in die einen niedrigeren Druck aufweisende Düsenkammer ein, aus der überschüssiges Harz frei ausfließen kann, und das Harz kann zur Aufgabeseite des Extruders zurückgeführt werden. Hierdurch wird ein zweifacher Imprägniereinfluß ausgeübt, weil das zu imprägnierende Faserbündel durch das in der Kammer vorhandene geschmolzene Harz wandert, während es gleichzeitig an der Düsenöffnung vorbeigeführt wird, aus der heraus geschmolzenes, unter Druck stehendes Harz direkt durch das Faserbündel fließt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach vorliegender Erfindung kann die Imprägnierkammer zusätzlich Elemente umfassen, die auf die Form des zu imprägnierenden Faserbündels einwirken, beispielsweise durch Abflachung oder Erweiterung der Faserbündelbahn, wodurch der Austrag des Harzes durch die Faserbündel erleichtert wird. Bei den Formungselementen kann es sich beispielsweise um stabförmige Elemente handeln, die entweder horizontal oder quer, aber auch geneigt zum zu imprägnierenden Faserbündel angeordnet sein können.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin, ohne daß dies eine Einschränkung darstellen würde, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, wobei
Fig. 1 in schematischer Darstellung ein einfaches Ausführungsbeispiel der Mittel nach vorliegender Erfindung darstellt;
Fig. 2 zwei Düsenelemente darstellt, die auf verschiedenen Seiten des zu imprägnierenden Faserbündels angeordnet sind; und
Fig. 3 den Imprägnierapparat nach vorliegender Erfindung mit einer Imprägnierkammer darstellt.
In Fig. 1 läuft/laufen ein Faserbündel oder Faserbündel 10 in der vom Pfeil A markierten Richtung an der Düsenöffnung 13 einer Düse 11 vorbei. Ein Düsenkanal 12 verläuft durch die Düse 11, durch die geschmolzenes thermoplastisches Harz (Pfeil B) von einem höheren Druck beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) Extruder fließt. Das geschmolzene Harz wird dann aus der Düsenöffnung 13 heraus durch eine Matte aus Faserbündeln 10 gedrückt, wobei die Fasern von geschmolzenem Harz eingeschlossen werden. Die imprägnierte Faserbündelmatte kann anschließend mit Hilfe von (nicht dargestellten) Methoden, die dem Fachmann bekannt sind, geformt und gehärtet werden.
Fig. 2 stellt zwei Düsen 11 dar, die an verschiedenen Seiten im Verhältnis zur Faserbündelmatte 10 angeordnet sind. Daher fließt geschmolzenes Harz zweimal durch die Faserbündelmatte 10, wobei jedoch die Fließrichtungen des Harzes (Pfeil B) entgegengesetzt verlaufen, so daß es zu einer intensiveren Imprägnierung kommt.
Fig. 3 stellt den Imprägnierapparat 20 dar, der eine Imprägnierkammer 21 enthält. Ein Düsenkanal 22 führt in die Imprägnierkammer, wobei der genannte Kanal beispielsweise mit einem (nicht dargestellten) Extruder verbunden ist. Der Düsenkanal 22 endet in der Imprägnierkammer 21 an der Düse 23 in der Düsenöffnung 24. In der Kammer 21 ist außerdem eine Austrittsöffnung 25 angeordnet, durch die überschüssiges geschmolzenes Harz aus der Kammer 21 ausgetragen wird, das dann zum Extruder zurückgeführt werden kann. Die zu zu imprägnierende Faserbündelmatte 10 wird in die Kammer 21 durch die Eintrittsöffnung 26 und den Eintrittskanal 27 eingeführt, der eng genug ausgebildet ist, um zu verhindern, daß geschmolzenes Harz dadurch aus der Kammer 21 herausfließt. Die imprägnierte Faserbündelmatte tritt aus der Imprägnierkammer 21 durch den Austrittskanal 28 und die Austrittsöffnung 29 aus.
Da in der Vorrichtung nach Fig. 3 eine Austrittsöffnung 25 in der Imprägnierkammer 21 vorgesehen ist, die mit der Außenluft oder jedenfalls mit einem niedrigeren Druck in Verbindung steht, erfolgt der Austrag des geschmolzenen Harzes von einem höheren Druck (aus dem Kanal 22) durch die Faserbündelmatte 10 (Kammer 21). Es versteht sich von selbst, daß eine oder mehrere Düsen 24 angeordnet werden können, wobei die Anordnung auf einer oder auf verschiedenen Seiten im Verhältnis zur Faserbündelbahn 10 erfolgen kann. Außerdem können ein oder mehrere Führungselemente, wie beispielsweise die Stäbe 30, vorteilhaft in der Kammer 21 angeordnet werden, mit deren Hilfe die zu imprägnierende Faserbündelmatte geführt und vor einer Imprägnierstelle oder danach einer Formänderung unterzogen werden kann.
Darüber hinaus kann bei dem Verfahren und bei der der Vorrichtung nach vorliegender Erfindung eine Vorbehandlung des zu imprägnierenden Harzes vorgenommen werden, um dessen Viskosität zu verringern. Wenn ein Vorrichtung zum Einsatz kommt, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, ist es ebenfalls möglich, in die Kammer 21 eine andere als die durch die Düse 24 geleitete Harzart oder auch ein anderes Mittel zur Vorbehandlung, wie beispielsweise ein Befeuchtungsmittel usw., einzuleiten.

Claims

1. Verfahren zum Imprägnieren eines Endlos-Faserbündels oder von Faserbündeln (10) mittels geschmolzenem oder flüssigem Reaktionsharz während der Herstellung von faserverstärktem Material, wobei das genannte Material ein oder mehrere Faserbündel (10) umfaßt, die vom Matrixharz umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Faserbündel (10) so an einer Düsenöffnung (13, 24) vorbeigeführt werden, daß das Harz aus der Düse (11, 23) von einem höheren Druck quer durch das Faserbündel (10) zu einem niedrigeren Druck hin fließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Harz aus der Düse (11, 23) zum Atmosphärendruck oder zu einem niedrigeren Druck hin austritt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Harz aus der Düse (11, 23) in geschmolzenes Harz austritt, das unter niedrigerem Druck steht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das genannte Harz bei niedrigerem Druck in einer Kammer (21) befindet, durch die das geschmolzene Harz bei niedrigerem Druck und die Faserbündel (10) geführt werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der höhere Druck in einem Extruder erzeugt wird.

6. Vorrichtung zum Imprägnieren eines Endlos- Faserbündels oder von Faserbündeln (10) mittels geschmolzenem oder flüssigem Reaktionsharz während der Herstellung von faserverstärktem Material, wobei das genannte Material ein oder mehrere vom Matrixharz eingeschlossene Faserbündel (10) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß er ein oder mehrere Düsenelemente (23) mit einer Düsenöffnung (24), um so Harz von einem höheren Druck zu einem niedrigeren Druck hin zu führen, sowie Elemente umfaßt, um die genannten Faserbündel (10) so an der genannten Düsenöffnung (24) vorbeizuführen, daß das bei höherem Druck aus der Düsenöffnung (24) austretende Harz quer durch die Faserbündel (10) zu einem niedrigeren Druck hin fließt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Imprägnierkammer (21) umfaßt, in der die Imprägnierung erfolgt, wobei der darin anliegende Druck niedriger als derjenige in der Düse (23) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu imprägnierenden Faserbündel (10) durch die Kammer (21) an der Düsenöffnung (24) in einem oder mehreren Düsenelementen (23), die in der Kammer (21) angeordnet sind, vorbeigeführt werden können.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenelemente (23) mit einem Extruder verbunden sind, und daß überschüssiges geschmolzenes Harz zum Extruder zurückgeführt werden kann.