DE69014981T2

DE69014981T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe.

Info

Publication number: DE69014981T2
Application number: DE69014981T
Authority: DE
Inventors: Michael Unger
Original assignee: Neste Oyj
Current assignee: Borealis AS
Priority date: 1989-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-05-11
Also published as: EP0397504A2; EP0397504A3; CA2016369A1; DE69014981D1; FI892266A0; CA2016369C; FI83492C; ATE115465T1; EP0397504B1; ES2066127T3; FI892266A; FI83492B; US5108797A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe. Insbesondere betrifft vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe, die aus einem verstärkenden, mit einem matrixbildenden Harzstoff gebundenen Faserbündel bzw. Faserbündeln so gebildet werden, daß auch die einzelnen Fasern von Harzstoff umgeben sind.
Das Hauptproblem bei der Herstellung von Produkten dieser Art ist die hohe Viskosität einiger matrixbildender Stoffe. Da die einzelnen Fasern in den Faserbündeln sehr dicht beieinanderliegen, ist es deshalb schwierig für den Harzstoff, in das Bündel einzudringen und sämtliche Einzelfasern zu umgeben. Dies wäre jedoch notwendig im Hinblick auf die Eigenschaften des Produkts, wie Festigkeit, Steifigkeit, chemische Beständigkeit usw.
Zur Lösung des Problems wurden zahlreiche Wege eingeschlagen. Bei einer Lösung werden Faserbündel durch eine sogenannte Querspritzkopfdüse (wie in US 4 588 538 gezeigt) übertragen, in welcher geschmolzenes oder flüssiges Harz in die sich durch die Düse bewegenden Faserbündel eindringt. Bei der sogenannten Pulvermethode (wie in US 4 614 608 gezeigt) wird eine Faserbündelbahn durch ein Bett thermoplastischer Harz teilchen bewegt, wodurch die Faserbündelbahn Harzteilchen mitnimmt, die in einer späteren Stufe geschmolzen werden. Es sind auch Lösungsmittelverfahren bekannt, bei denen Faserbündel mit in einem flüssigen Medium aufgelösten Harzen imprägniert werden.
Die Querspritzkopfdüsenmethode hat sich bei der Imprägnierung von Faserbündeln mit thermoplastischem Harz als unwirksam erwiesen, da nicht alle Einzelfasern von Harzstoff umgeben werden. Pulvermethoden benötigen eine große Zahl Verarbeitungsstufen, die schwer zu synchronisieren sind, teuer in der Anschaffung sind und unter Beschädigung der Verstärkung ablaufen. Bei Lösungsmittelmethoden ist ein Trocknungsverfahren erforderlich, was teuer ist, Unweltprobleme verursacht, viel Zeit braucht und das Produktionsausmaß beschränkt. Ferner ist die Qualität des Produkts wegen der nach der Entfernung der Lösungsmittel verbliebenen Hohlräume schlecht.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung Zum lmprägnieren von Verstärkungsfasern in Form von Faserbündeln, so daß Einzelfasern von Bindungsharz umgeben sind. Die Erfindung beruht auf der bekannten Erscheinung, daß gegebene pseudoplastische Stoffe, die Scherbelastungen ausgesetzt werden, eine Abnahme der Viskosität zeigen. Diese als Scherverdünnung bekannte Erscheinung tritt häufig bei verschiedenen Emulsionen, Dispersionen, Suspensionen und anderen Stoffen einschließlich thermoplastischer Harze und Lösungen duroplastischer Harze auf. Die Tendenz zum Auftreten von Scherverdünnung läßt sich mit dem Niveau der auf den Stoff aufgebrachten Scherbelastung ändern. Bei niedrigen Belastungen wird geringes Ansprechen erreicht, bei mäßigen Scherbelastungen nimmt die Scherverdünnung dramatisch zu, während bei sehr hohen Belastungen das Ansprechen auf niedrigere Niveaus zurückgeht, wenn sich die Viskosität des Stoffs dem Minimum nähert.
Ein typischer Viskositätsbereich für thermoplastische Harz schmelzen ist 10²-10&sup6; Pas und für Duroplastharzlösungen 100- 5000 Pas. Beim lmprägnieren von Verstärkungsfasern ist ein Bereich von 1-10 Pas ideal, eine übliche Größe beträgt 10² Pas, und in manchen Fällen kann 10³ Pas annehmbar sein. Typische Schergefällebereiche für Polymerschmelzen und -lösungen sind 10&supmin;¹-10&sup6; 1/s, und der Bereich höchsten Ansprechens kann bei 10&sup0;-10&sup4; 1/s liegen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um die Imprägnierung von Faserbündeln mit geschmolzenem oder flüssigern Harz bei der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe (wobei der Stoff aus einem oder mehreren Laserbündeln besteht, worin jede Faser von Matrixharz umgeben ist) durch Imprägnierung einer endlosen Bahn eines oder mehrerer Faserbündel mit geschmolzenem oder flüssigem Harz und dessen Verfestigung durch Abkühlung oder chemische Umsetzung. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man vor dieser Imprägnierung das geschmolzene oder flüssige Harz Scherkräften aussetzt, indem man dieses zwischen nahe benachbarten, sich relativ zueinander bewegenden Flächen zum Fließen bringt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen beliebigen faserverstärkten Werkstoff herzustellen, in welchem die Fasern als Bündel vorliegen. Als Fasern kommen beliebige Faserarten in Frage, die durch ein Matrixharz gebunden werden können. Solche Produkte sind beispielsweise faserverstärkte Granulate zum Spritzguß oder für andere Verfahren, Präpregs oder vorimprägnierte Stoffe für zusätzliche Verfahren, wie Pultrusion, Wickelverfahren, Bebänderung usw.
Für die Erfindung geeignete Fasern sind Glasfasern, Kohlenstoffasern und Aramidfasern. Die häufigsten Faserstoffe sind Glasfaserprodukte in Form von BündeIn, die man als Einzelbündel oder auch in Form gewebter Produkte, zum Beispiel als Glasseidenstränge, einsetzen kann. Typischerweise enthalten Glasfaserbündel Tausende von Einzelfasern mit einem Durchmesser von 10-17 m.
Der zum Binden faserverstärkter Produkte verwendete Harzstoff kann ein thermoplastisches Harz, mit dessen Schmelze Faserbündel imprägniert werden, oder ein duroplastisches Harz sein, das nach dem Imprägnieren durch Hitze oder chemische Umsetzung verfestigt wird.
Geeignete thermoplastische Harze sind unter anderen Olefinhomo- und -copolymere, Vinylchloridhomo- und -copolymere, Polyethylenterephthalat, Acrylnitrilpolymere und -copolymere, Polyamide oder Copolyamide, thermoplastische Formaldehydpolymere, Polycarbonat, Polysulfonat, Polysulfon und Gemische von zwei oder mehr der obigen Polymeren oder beliebige andere Thermoplaste, die durch Scherwirkung verringerte Viskosität zeigen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum Imprägnieren von Verstärkungsfaserbündeln mit geschmolzenem oder flüssigem Harz bei der Herstellung faserverstarkter Werkstoffe (wobei der Stoff Faserbündel oder gebündelte Faserscharen enthält, worin jede Faser von Matrixharz umgeben ist), umfassend Mittel zum Zuführen des flüssigen Harzes zu dem Faserbündel. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Mittel, mit denen der geschmolzene oder flüssige Harzstoff vor dieser Imprägnierung Scherkräften ausgesetzt wird, wobei diese Mittel aus zwei nahe benachbarten, sich relativ zueinander bewegenden Flächen bestehen, zwischen denen dieser geschmolzene oder flüssige Harzstoff zum Fließen gebracht und dadurch Scherkräften ausgesetzt wird, wobei die Zufuhrmittel dazu dienen, diese Faserbündel mit jenem Harz stoff, nachdem dieser Scherkräften ausgesetzt wurde, in Berührung zu bringen, um sie damit zu imprägnieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine der Flächen, zwischen denen der geschmolzene oder flüssige Harzstoff zum Fließen gebracht wird, eine ruhende Fläche, und die andere Fläche ist eine sich bewegende Fläche. Es können aber auch beide Flächen sich bewegende Flächen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind diese Flächen zylinderförmige Flächen, zwischen denen das Imprägnierharz fließt und somit die Viskosität erniedrigenden Scherkräften ausgesetzt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind eine oder beide dieser Flächen sich bewegende Flächen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind diese Flächen zylinderförmige Flächen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind diese Flächen ebene Flachen. Diese können zum Beispiel aus zwei ebenen Scheiben bestehen, die nahe beieinander liegen und sich in unterschiedlichen Richtungen drehen, wobei das geschmolzene oder flüssige Harz dazwischen eingeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden diese Flächen einen Ringraum zwischen zwei zylinderförmigen Flächen, wobei eine oder beide dieser Flächen eine sich drehende Fläche sein können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen diese Mittel zum Inberührungbringen jener Faserbündel mit diesem geschmolzenen oder flüssigen Harzstoff, nachdem dieser Scherkräften ausgesetzt wurde, aus einem oder mehreren Zufuhrkanälen, die mit jenem Ringraum in Verbindung stehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen diese Zufuhrkanäle einen kreisförmigen, rechteckigen oder sonstigen Querschnitt auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind diese Kanäle ein oder mehrere in die Wand eines jenen Ringraum umgebenden Imprägnierkopfes eingeschnittene radiale Schlitze.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dieser Imprägnierkopf mit dem Ausgang eines Extruders verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Außenfläche des Imprägnierkopfes innerhalb des Imprägnierungsbereichs gekrümmt oder eben.
Die Erfindung sei mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, aber nicht darauf beschränkt; es zeigen:
Fig. 1 ein Übersichtsbild einer erfindungsgemäßen, zur Herstellung endlos faserverstärkter thermoplastischer Granulate verwendeten Vorrichtung, und
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen einer Vorrichtung zum Imprägnieren einer Glasfaserbündelbahn mit erfindungsgemäßem Matrixharz.
In Fig. 1 wird eine Bahn 10 aus Glasfaserbündeln von einer Trommel 11 durch eine Vorheizkammer 12 und eine Ausbreitungsvorrichtung 13 einem Imprägnierkopf 18 zugeführt. In der Ausbreitungsvorrichtung 13 wird die Bahn 10 über und unter einem Walzensatz 14 so transportiert, daß die Faserbahn abwechselnd über und unter den Walzen durchläuft. Dies breitet die Einzelfasern in den Bündeln aus und erleichtert somit die Imprägnierung in der Imprägnierungsstufe. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Ausbreitungsvorrichtung 13 nicht notwendig ist und nicht einen Teil der Erfindung bildet. Der Imprägnierkopf 18 ist mit einem Extruder 15 verbunden, dem der Imprägnierungsharzstoff durch einen Trichter 17 zugeführt wird. Im Extruder 15 wird das Harz geschmolzen und so geformt, daß es dem erfindungsgemäßen Imprägnierkopf 18 zugeführt werden kann.
Die harzimprägnierte Bahn 10b bzw. das Band aus Faserbündeln wird dann auf eine Kühleinheit 19 übertragen, wo das geschmolzene Harz durch Abkühlung verfestigt wird. Die Verfestigung kann auch durch chemische Umsetzung erfolgen, mit oder ohne solche Kühlung.
Von der Kühleinheit 19 werden die mit Harz impragnierten und verfestigten Faserbündel dann zu einem Schneidwerk 20 übertragen, welches die imprägnierte Bahn zu Stücken 21 der richtigen Länge schneidet, die zum Verpacken oder zur Verwendung bei der Herstellung der Produkte bereit sind. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung ist es natürlich ebenfalls möglich, kontinuierlich faserverstärkte Produkte herzustellen, die in diesem Fall in Stücke der erwünschten Längen geschnitten oder ungeschnitten belassen werden.
Der Transport der Faserbündelbahn 10 durch die Vorrichtung in Fig. 1 kann mittels einer beliebigen geeigneten Zieheinrichtung erfolgen. Eine mit Riemen angetriebene Ziehvorrichtung 22 ist in Fig. 1 schematisch abgebildet.
Fig. 2 beschreibt eine zweckmäßige Ausführung des Imprägnierkopfes 18 in Fig. 1. Innerhalb des Imprägnierkopfes 18 befindet sich eine Zufuhrkammer 23, durch welche geschmolzener Harzstoff, der noch nicht Scherkräften ausgesetzt wurde, aus einem Extruder 15 zugeführt wird. Von der Kammer 23 wird das Harz durch eine Öffnung 25 in einen Ringraum zwischen zwei zylinderförmigen Flächen 26 und 27 eingeführt. Bei dieser Ausführungsform ist die Außenfläche 26 eine ruhende Fläche und die Innenfläche 27 eine sich bewegende Fläche. Diese sich bewegende Fläche 27 wird durch die Außenfläche eines Drehrings 28 gebildet, der sich in die durch einen Pfeil A bezeichnete Richtung dreht. Die Drehrichtung is nicht wesentlich. Im Ringraum zwischen den Flächen 26 und 27, die sich relativ zueinander bewegen, wird der Harzstoff 29 einer Scherwirkung unterworfen, die seine Viskosität erniedrigt.
Der der Scherwirkung unterworfene Harzstoff zwischen den Flächen 26 und 27 wird dann durch einen Zufuhrkanal 30 abgelassen, der das der Scherwirkung unterworfene Harz dem Imprägnierungsbereich 31 zuführt. Die Faserbündelbahn 10a wird an dem Imprägnierungsbereich 31 vorbeigeführt, wo das geschmolzene Harz erniedrigter Viskosität so gründlich in die Faserbündel eindringt, daß jede Faser vom Harzstoff umgeben ist. Die imprägnierte Faserbündelbahn 10a wird dann in die in Fig. 1 beschriebene Kühleinheit 19 überführt.
Die viskositätserniedrigende Scherwirkung findet in Fig. 2 zwischen Flächen statt, von denen eine eine ruhende und die andere eine sich bewegende Fläche ist. Es ist jedoch ersichtlich, daß auch die andere Fläche 26 eine sich in der Fläche 27 entgegengesetzter Richtung drehende zylinderförmige Fläche sein könnte. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die Vorrichtung nach Fig. 3 ist ähnlich der nach Fig. 2, außer daß der Scherraum zwischen zwei sich bewegenden Flächen 27 und 26 gebildet wird. In diesem Fall ist die Fläche 26 die Innenfläche eines Rings 32, der sich in der dem Ring 28 entgegengesetzten Richtung B dreht. Dies führt zu stärkerer Scherwirkung.
Es ist offensichtlich, daß man mehr als einen ringförmigen Scherraum nacheinander verwenden kann. Auch ist es klar, daß man den in Fig. 1 bis 3 in den Imprägnierkopf 18 gelangenden Harzstoff nach anderen Methoden vorbehandeln kann, welche die Viskosität anfänglich erniedrigen, zum Beispiel mit einer Scherwirkung in Kapillarströmungsröhren.
Die Erfindung wurde zwar oben mit Bezug auf die Imprägnierung einer sich bewegenden Faserbündelbahn beschrieben, doch ist es klar, daß die Faserbündelbahn feststehend und der Imprägnierkopf beweglich angeordnet werden kann. Die Funktion der Erfindung wird in beiden Fällen gleich sein. Ferner ist es möglich, zwei oder mehr erfindungsgemäße Imprägnierköpfe zu verwenden, und diese Imprägnierköpfe können auf derselben oder auf verschiedenen Seiten der zu imprägnierenden Faserbündelbahn angeordnet werden.

Claims

1. Verfahren zum Imprägnieren von Faserbündeln mit geschmolzenem oder flüssigem Harz (24, 29) im Verlauf der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe durch Imprägnieren einer endlosen Bahn (10, 10a) eines oder mehrerer Faserbündel mit geschmolzenem oder flüssigem Harz (24, 29) und dessen Verfestigung durch Abkühlung oder chemische Umsetzung, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dieser Imprägnierung den geschmolzenen oder flüssigen Harzstoff (29) Scherkräften aussetzt, indem man diesen zwischen zwei nahe benachbarten, sich relativ zueinander bewegenden Flächen (26, 27) zum Fließen bringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Harzmatrix ein thermoplastischer Stoff ist, der vorzugsweise eine oder mehrere Olefinhomo- und -copolymere, Vinylchloridhomo- und -copolymere, Polyethylenterephthalat, Acrylnitrilpolymere und -copolymere, Polyamide oder Copolyamide, thermoplastische Formaldehydpolymere, Polycarbonate oder Polysulfone umfasst.

Vorrichtung zum Imprägnieren von Faserbündeln mit geschmolzenem oder flussigem Harz (24, 29) im Verlauf der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe, umfassend Mittel (30, 31) zum Zuführen geschmolzenen oder flüssigen Harzes zu den Faserbündeln, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen das geschmolzene oder flüssige Harz vor der Imprägnierung Scherkräften ausgesetzt wird, wobei diese Mittel zwei nahe benachbarte, sich relativ zueinander bewegende Flächen (26, 27) umfassen, zwischen denen dieser geschmolzene oder flüssige Harzstoff (29) zum Fließen gebracht wird, wobei die Zufuhrmittel dazu dienen, diese Faserbündel mit jenem Harzstoff (29), nachdem dieser Scherkräften ausgesetzt wurde, in Berührung zu bringen, um sie damit zu imprägnieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide dieser Flächen (26, 27) sich bewegende Flächen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen (26, 27) zylinderförmige Flächen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen (26, 27) einen Ringraum zwischen zwei zylinderförmigen Flächen, von denen eine oder beide sich drehen, begrenzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Inberührungbringen jener Faserbündel mit diesem Harzstoff (29), nachdem dieser Scherkräften ausgesetzt wurde, einen oder mehrere Zufuhrkanäle (30) umfassen, die mit jenem Ringraum in Verbindung stehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zufuhrkanäle (30) einen kreisförmigen, rechteckigen oder sonstigen Querschnitt aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zufuhrkanäle (30) ein oder mehrere in die Wand eines Imprägnierkopfes (18) geschnittene Schlitze sind, die vorzugsweise mit dem Ausgang eines Extruders (15) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Imprägnierkopfes (18) innerhalb des Imprägnierungsbereichs (31) gekrümmt oder eben ist.