DE69733713T2

DE69733713T2 - Chemische behandlung für fasern und drahtbeschichtete verbundwerkstoffstränge zum formen von faserverstärkten thermoplastischen verbundwerkstoffgegenständen

Info

Publication number: DE69733713T2
Application number: DE69733713T
Authority: DE
Inventors: B. Andrew WOODSIDE
Original assignee: Owens Corning; Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2017-08-08
Also published as: NZ334085A; DE69733713D1; AU733283B2; NO319981B1; EP1223016A3; KR20050008825A; JP2000516162A; DE69738458T2; CN1228050A; WO1998006551A3; EP0921919B1; EP1223015B1; EP1223016A2; KR100545526B1; EP1223016B1; BR9711128A; NO990608D0; ES2298326T3; ES2244003T3; KR20000029969A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffgegenständen, insbesondere drahtbeschichtete Faser/Polymerverbundwerkstoffstränge, welche beim Formen von faserverstärkten Verbundwerkstoffgegenständen verwendet werden. Genauer gesagt betrifft die Erfindung thermoplastummantelte Faser/Polymerverbundwerkstofffäden und -pellets, die zu faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffgegenständen geformt werden können.
Fasern oder fasrige Materialien werden häufig als Verstärkungen in Verbundwerkstoffmaterialien verwendet. Glas- und andere Keramikfasern werden im Allgemeinen hergestellt, indem die Keramik in geschmolzener Form einer Ziehdüse zugeführt wird, Fasern aus der Ziehdüse gezogen werden, eine chemische Behandlungszusammensetzung (hierin als chemische Behandlung bezeichnet), wie beispielsweise eine Schlichte, auf die gezogenen Keramikfasern aufgetragen wird und die geschlichteten Fasern dann zu einem Towgarn oder Strang zusammengelegt werden. Es gibt im Grunde drei bekannte allgemeine Arten von chemischen Behandlungen: lösemittelbasierte Systeme, schmelzebasierte Systemen und strahlungshärtungsbasierte Systeme.
In einem weiteren Sinne umfassen lösemittelbasierte chemische Behandlungen organische Materialien, welche in wässrigen Lösungen (d.h. in Wasser aufgelöst, suspendiert oder anderweitig dispergiert) sind, sowie jene, die in organischen Lösemitteln aufgelöst werden. Die US-Patente Nr. 5,055,119, 5,034,276 und 3,473,950 offenbaren Beispiele für solche chemische Behandlungen. Das Lösemittel (d.h. Wasser, ein organisches Lösemittel oder ein anderes geeignetes Lösemittel) wird verwendet, um die Viskosität der chemischen Behandlung herabzusetzen, um die Benetzung der Glasfasern zu ermöglichen. Das Lösemittel ist im Wesentlichen nicht reaktionsfähig mit den anderen Bestandteilen der chemischen Behandlung und wird nach dem Benetzen der Glasfasern aus der chemischen Behandlung ausgetrieben. Bei jedem Prozess zum Auftragen von lösemittelbasierten chemischen Behandlungen wird eine externe Wärmequelle oder irgendeine andere faserexterne Vorrichtung verwendet, um das Wasser oder ein anderes Lösemittel aus der aufgetragenen chemischen Behandlung zu verdampfen oder anderweitig zu entfernen und eine Beschichtung aus organischem Material auf den Glasfasern zurückzulassen. Ein Nachteil eines lösemittelbasierten Prozesses ist, dass der zusätzliche Schritt des Entfernens des Lösemittels die Produktionskosten erhöht. Außerdem sind einige organische Lösemittel leicht entflammbar in Dampfform und stellen eine Brandgefahr dar. Ein anderes Problem bei lösemittelbasierten Systemen ist, dass es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, ist, das ganze Lösemittel aus der aufgetragenen chemischen Behandlung zu entfernen. Daher sind lösemittelbasierte chemische Behandlungen praktisch auf jene Systeme beschränkt, bei welchen irgendein restliches Lösemittel, das in der Beschichtung aus organischem Material die auf den Fasern verbleibt, zurückgelassen wird, keine bedeutsame negative Auswirkung hat.
Bei früheren schmelzebasierten chemischen Behandlungen werden thermoplastische organische Feststoffe geschmolzen und auf die Glasfasern aufgetragen. Die US-Patente Nr. 4,567,102, 4,537,610, 3,783,001 und 3,473,950 offenbaren Beispiele für solche chemische Behandlungen. Ein Nachteil von früheren schmelzebasierten Prozessen sind die Energiekosten, die mit dem Schmelzen der chemischen Behandlungen verbunden sind. Die organischen Feststoffe, die bei früheren schmelzebasierten Systemen verwendet werden, werden bei verhältnismäßig hohen Temperaturen geschmolzen, um die geschmolzenen organischen Feststoffe auf die Glasfasern aufzutragen. Die hohen Temperaturen werden benötigt, da die organischen Feststoffe, die in der Vergangenheit verwendet wurden, verhältnismäßig hohe Molekülmassen aufweisen. Solche hohen Schmelztemperaturen stellen für die Arbeiter auch die Gefahr dar, durch die Geräte, die zum Schmelzen des Kunststoffmaterials verwendet werden, und durch das geschmolzene Kunststoffmaterial selbst Verbrennungen zu erleiden. Außerdem werden normalerweise Spezialgeräte benötigt, um das hochtemperaturgeschmolzene Kunststoffmaterial aufzutragen oder anderweitig zu bearbeiten.
Die strahlungshärtungsbasierten chemischen Verfahren sind normalerweise acrylatbasierte organische Chemikalien, entweder mit oder ohne Lösemittel, welche durch einen Fotoinitiator mit Ultraviolettstrahlung gehärtet werden. Die US-Patente Nr. 5,171,634 und 5,011,523 offenbaren Beispiele für solche chemische Behandlungen. Ein bedeutender Nachteil von Prozessen, welche solche chemische Behandlungen verwenden, ist, dass die verwendete Strahlung, wie beispielsweise Ultraviolettstrahlung, und die verwendete chemische Behandlung, wie beispielsweise Acrylate, verhältnismäßig gefährlich sind und oft eine spezielle Bearbeitung und spezielle Sicherheitsvorkehrungen erfordern. Einige dieser Prozesse, wie beispielsweise jene, die in US-Patent Nr. 5,171,634 offenbart werden, erfordern, dass die Strahlungshärtung etliche Male wiederholt wird, um den bestmöglichen Nutzen zu erhalten. Jeder zusätzliche Strahlungshärtungsschritt erhöht die Gefahren, die damit verbunden sind, und erlegt dem Prozess zusätzliche Kosten auf. Außerdem stellen strahlungshärtbare wärmehärtbare Kunststoffe und ihre erforderlichen Fotoinitiatoren ein hoch spezialisiertes Gebiet der Chemie wärmehärtbarer Kunststoffe dar. Folglich sind solche strahlungshärtbare chemische Behandlungen teuer und mit verschiedenen Klassen von Matrixharzen im Allgemeinen nicht kompatibel.
Um Verbundwerkstoffteile herzustellen, werden die Glasfaserstränge häufig in einem Off-line-Imprägnierungsprozess mit einem Polymerharz chemisch weiterbehandelt. Das Harz kann ein wärmegehärtetes Ein- oder Zweikomponentenharz oder ein thermoplastisches Harz sein. In einem Beispiel werden vorher gebildete und geschlichtete Endlosglasfasern mit einem wärmehärtbaren Harz imprägniert und dann durch eine geheizte Pultrusionsdüse gezogen, um das Harz auszuhärten und den Verbundwerkstoffgegenstand, wie beispielsweise Leiterschienen, herzustellen. In solch einem Off-line-Prozess müssen die Endlosglasfasern auf irgendeine Weise getrennt werden, um die Imprägnierung des Harzes zwischen den Fasern zu ermöglichen, und dann wieder vereint werden. Dieses Erfordernis führt beinahe immer zur Verwendung von zusätzlichen Geräten, wie beispielsweise Streichstäben, Imprägnierungsbädern und Trocknungs- oder Härtungsöfen. Diese Arten von Prozessen weisen den Nachteil auf, dass sie dem Prozess Kosten und Komplexität hinzufügen. Außerdem kann die resultierende zusätzliche Bearbeitung der Glasfasern das Brechen der einzelnen Glasfilamente und dadurch eine Verschlechterung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffgegenstands verursachen. Daher sind solche Off-line-Prozesse, obwohl sie wirksam sein können, zeitraubend und unrationell (z.B. indem sie zusätzliche Verfahrensschritte erfordern) und infolgedessen teuer.
Demgemäß besteht auf dem Fachgebiet ein Bedarf an einem sicheren, wirksameren und kostengünstigeren Prozess zum Auftragen einer chemischen Behandlung auf Glasfasern, bei welchem die Viskosität der chemischen Behandlung niedrig genug ist, um die Glasfasern ohne Notwendigkeit eines Lösemittels ausreichend zu benetzen, wobei die chemische Behandlung keine Strahlungshärtung erfordert und die Viskosität der aufgetragenen chemischen Behandlung bei sehr geringer – wenn überhaupt einer – Erzeugung von Wasser-, flüchtigem organischem Kohlenstoff- (VOC für engl. volatile organic carbon) oder einem anderem Lösemitteldampf zunimmt, und wobei die resultierenden chemisch behandelten Glasfasern ur anschließenden Verarbeitung zu einem Verbundwerkstoffgegenstand geeignet sind. Es besteht auch ein Bedarf an einem In-line-Prozess zum Bilden eines imprägnierten Glasverbundwerkstoffstrangs aus einer Mehrzahl von endlos geformten Glasfasern, welche auf diese Weise chemisch behandelt werden, wobei der resultierende Prepregstrang zur anschließenden In-line- oder Off-line-Verarbeitung zu einem Verbundwerkstoffgegenstand geeignet ist.
Die Verwendung von Verbundwerkstoffen mit faserverstärkten Polymermatrizen ist weit verbreitet. Faserverstärkte polymere Verbundwerkstoffprodukte wurden unter Verwendung einer Vielfalt von Prozessen und Materialien hergestellt. Wie bereits erwähnt, bezieht solch ein Prozess das Imprägnieren eines oder mehrerer Stränge oder Bündel von Verstärkungsfasern (z.B. Glasfasern, Synthesefasern oder irgendwelcher anderen Verstärkungsfasern) mit einem thermoplastischen Material und das Verwenden der resultierenden Verbundwerkstoffstränge zur Formung eines Verbundwerkstoffgegenstands ein. Diese Verbundwerkstoffstränge wurden in der Form von Endlosfäden (d.h. langen Stranglängen) und einzelnen Pellets (d.h. kurzen Stranglängen) verwendet. Die Fasern von den Verbundwerkstoffsträngen liefern die Verstärkung, und das thermoplastische Material bildet wenigstens einen Teil der Matrix für den Verbundwerkstoffgegenstand.
Die französische Patentanmeldung Nr. 2 423 320 beschreibt die Anwendung einer Harzemulsion von Faserbündeln, genannt Rovings. Der Glasfaserroving wird mit einer Behandlungszusammensetzung aus einer Emulsion eines thermoplastischen Harzes vorbehandelt. Die Behandlungszusammensetzung trocknet, und der trockene Roving wird mit einem thermoplastischen Harz ummantelt. Es ist jedoch wünschenswert, dass jeder Faserstrang mit dem thermoplastischen Matrixmaterial voll imprägniert wird, das heißt, dass das thermoplastische Material überall in jedem Faserbündel und zwischen den Fasern im Wesentlichen gleichmäßig verteilt wird. Da alle der Fasern von dem Matrixmaterial umgeben beginnen, können die voll imprägnierten Faserstränge billiger und wirksamer geformt werden, und der ent sprechende Verbundwerkstoffgegenstand kann verbesserte Eigenschaften aufweisen. Es ist jedoch schwierig und zeitraubend, Faserstränge mit typischen thermoplastischen Matrixmaterialien (z.B. technischen thermoplastischen Kunststoffen) voll zu imprägnieren. Voll imprägnierte Stränge bei hohen Durchsatzraten waren besonders schwierig, insbesondere bei den Durchsatzraten, die während der Erzeugung von endlos geformten Verstärkungsglasfasern normalerweise wahrgenommen werden.
In dem Bestreben, endlos geformte Glasfaserstränge voll zu imprägnieren, wurde die Anzahl von Fasern, die verwendet werden, um jeden Strang zu bilden (d.h. die Faserdichte), von einer typischen Dichte von etwa 2.000 Fasern/Strand auf 1.200 Fasern/Strang oder weniger verringert, um die Zeit zu verkürzen, die gebraucht wird, um jeden Faserstrang zu imprägnieren. Durch Verringern der Anzahl von Fasern in jedem Strang, der zu einem bestimmten Zeitpunkt verarbeitet wird, können die Produktionsleistung und die Kostenwirksamkeit des Prozesses jedoch negativ beeinflusst werden. Außerdem ist das Vollimprägnieren selbst bei Strängen mit solch einer niedrigeren Dichte immer noch zeitraubend genug, um zu verhindern, dass selbst die Stränge mit solch einer niedrigeren Dichte voll imprägniert und bei den höheren Durchsatzraten, die in der Erzeugung von endlosen Verstärkungsglasfasern normalerweise erreicht werden, verarbeitet werden.
In dem Bestreben, höhere Durchsätze zu erzielen, imprägniert ein früherer Prozess den Faserstrang nur teilweise, beschichtet den Strang in einer gleichförmigen Schicht von thermoplastischem Matrixmaterial und lässt den mittleren Kern der Fasern, ohne mit dem thermoplastischen Material imprägniert zu werden. Diese Beschichtung und diese teilweise Imprägnierung des Strangs werden durch Ziehen des Strangs durch eine Vorrichtung erreicht, die als „Drahtbeschichtungsvorrichtung" bezeichnet wird. Drahtbe schichtungsvorrichtungen, wie beispielsweise jene, die im US-Patent Nr. 5,451,355 offenbart wird, umfassen normalerweise einen Extruder zum Zuführen von geschmolzenem thermoplastischem Matrixmaterial und eine Düse mit einer Eingangsöffnung, einer Ausgangsöffnung und einer Beschichtungskammer, die dazwischen angeordnet ist. Der Extruder führt der Beschichtungskammer geschmolzenes thermoplastisches Material zu. Der Strang wird beschichtet und teilweise imprägniert mit dem thermoplastischen Matrixmaterial, wenn er die Beschichtungskammer durchläuft, und die Beschichtung wird zu einer gleichförmigen Schicht ausgebildet, wenn der beschichtete Strang durch die Ausgangsöffnung der Düse tritt. Der resultierende beschichtete Strang wird entweder in der Form eines Fadens verwendet (z.B. bei Formpressanwendungen) oder zu einzelnen Pellets geschnitten (z.B. bei Spritzgießanwendungen). Da der Strang nur teilweise mit dem thermoplastischen Matrixmaterial imprägniert wird, kann der Strang bei verhältnismäßig hohen Durchsätzen verarbeitet werden.
Diese teilweise imprägnierten drahbeschichteten Stränge weisen jedoch aufgrund ihres mittleren Kerns aus nicht imprägnierten Fasern etliche Probleme auf. Wenn in Pelletform, neigen die Fasern im nicht imprägnierten mittleren Kern dazu, aus der thermoplastischen Beschichtung herauszufallen. Wenn der Strang in der Form eines Fadens ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Kernfasern herausfallen, aber der Kern dieser drahtbeschichteten Fäden muss an irgendeinem Punkt noch imprägniert werden, um die Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffgegenstands zu optimieren. Das Imprägnieren des mittleren Kerns solcher drahtbeschichteter Fäden während des Formvorgangs kann schwierig und zeitraubend, wenn nicht praktisch unmöglich, sein. Somit bewirkt das Formen mit solchen drahtbeschichteten Fäden eher eine Reduktion der Produktionsgesamtrate als eine Erhöhung, wie gewünscht.
Daher besteht ein Bedarf an einer Möglichkeit, voll imprägnierte Faserstränge bei höheren Durchsatzraten zu erzeugen, selbst wenn jeder Strang eine verhältnismäßig hohe Faserdichte aufweist, wobei die resultierenden Verbundwerkstoffstränge entweder in Faden- oder in Pelletform zum Formen von faserverstärkten thermoplastischen Gegenständen geeignet sind.
Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangs zur Anordnung in einem Matrixmaterial bereitgestellt, wobei jeder Strang eine Precoat-Schicht einer thermoplastischen oder wärmehärtbaren chemischen Behandlung aufweist, die mit dem Matrixmaterial kompatibel ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Auftragen auf eine Mehrzahl von Fasern, welche Verstärkungsfasern umfassen, einer im Wesentlichen lösemittelfreien chemischen Behandlungszusammensetzung in einer ausreichenden Menge, um im Wesentlichen alle der Fasern zu beschichten und dadurch beschichtete Fasern zu bilden;
Zusammenlegen der beschichteten Fasern zu einem imprägnierten Strang, der die chemische Behandlungszusammensetzung aufweist zwischen im Wesentlichen allen der Mehrzahl von Fasern; und
Ummanteln des imprägnierten Strangs durch Drahtbeschichtung mit einem thermoplastischen Material, um eine thermoplastische Beschichtung zu bilden, und Ausbilden der thermoplastischen Beschichtung zu einem thermoplastischen Mantel, um einen thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrang zu bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der thermoplastummantelte Verbundwerkstoffstrang auf Längen zugeschnitten, um eine Mehrzahl von Pellets zu bilden. Alternativerweise kann der thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrang als ein Faden gewickelt werden. In einer Ausführungsform umfassen die Verstärkungsfasern vorgeformte Verstärkungsfasern. Die Mehrzahl von Fasern kann auch Matrixfasern umfassen. Das Verfahren kann ferner auch solche Schritte umfassen, wie beispielsweise das Herstellen der Verstärkungsfasern durch einen Prozess, der das Endlosformen von Verstärkungsfasern aus geschmolzenem Glas oder das Vorformen von Matrixfasern aus einem Polymermaterial umfasst. Wahlweise kann das Verfahren das In-line-Herstellen der Verstärkungsfasern durch einen Prozess umfassen, der das Endlosformen von Verstärkungsfasern aus einem geschmolzenen Glasmaterial umfasst. Die chemische Behandlung, die in solch einem Verfahren verwendet wird, kann Wasser und ein organisches Material in einer Menge umfassen, welche den vorimprägnierten Strang mit einem Gehalt an organischem Material von etwa 2 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% bereitstellt, wobei im Wesentlichen das ganze Wasser in der chemischen Behandlung vor dem Zusammenlegeschritt verdampft wird. Das organische Material kann ein Feststoff oder eine Flüssigkeit sein, welche im Wasser dispergiert oder emulgiert werden. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an organischem Material von etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-%, und der Verdampfungsschritt umfasst das Erwärmen der chemischen Behandlung nach dem Auftragschritt, und insbesondere beträgt der Gehalt an organischem Material von etwa 6 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-%, und das Erwärmen umfasst das Zuführen von Wärmeenergie zu der chemischen Behandlung von einer externen Quelle oder von der Mehrzahl von Fasern. In einer Ausführungsform ist die chemische Behandlung wärmehärtbar, und das Herstellen des thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangmaterials umfasst ferner den Schritt des wenigstens teilweisen Aushärtens der chemischen Behandlung nach dem Auftragschritt. Die chemische Behandlung ist vorzugsweise im Wesentlichen lösemittelfrei und im Wesentlichen nicht lichthärtbar, und das organische Material umfasst einen Filmbildner und ein Haftmittel. In einer Ausführungs form ist die chemische Behandlung thermoplastisch, der Filmbildner umfasst ein thermoplastisches Polymer von geringer Molekülmasse und das Haftmittel umfasst ein funktionalisiertes organisches Substrat. In einer anderen Ausführungsform ist die chemische Behandlungszusammensetzung wärmehärtbar, der Filmbildner umfasst wenigstens ein multifunktionelles Monomer oder ein monofunktionelles Monomer von geringer Molekülmasse, und das Haftmittel umfasst ein funktionalisiertes organisches Substrat. Das Verfahren kann ferner das Kombinieren des thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangs mit dem Matrixmaterial, um eine Verbundwerkstoffformulierung zu bilden, und das Formen der Verbundwerkstoffformulierung umfassen. Außerdem kann das Verfahren ferner das Ausbilden des thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangs zu Pellets und Formen der Pellets zusammen mit einem harzigen Matrixmaterial, um einen faserverstärkten Verbundwerkstoffgegenstand zu bilden, umfassen.
Das Verfahren der Erfindung erzeugt ein Verbundwerkstoffprodukt, das eine Mehrzahl von thermoplastummantelten Verbundwerkstoffsträngen umfasst, welche beim Bilden eines faserverstärkten Verbundwerkstoffgegenstands, der ein Matrixmaterial enthält, verwendbar ist, wobei jeder thermoplastummantelte Verbundwerkstoffstrang einen vorimprägnierten Strang umfasst, der eine Mehrzahl von zusammengelegten Fasern umfasst, welche Verstärkungsfasern umfassen, die im Wesentlichen mit einer thermoplastischen oder wärmehärtbaren chemischen Behandlung beschichtet sind, die mit dm Matrixmaterial kompatibel ist. In einer Ausführungsform umfasst das Verbundwerkstoffprodukt Pellets, die aus Verbundwerkstoffsrängen zugeschnitten wurden, wobei die chemische Behandlung die Mehrzahl von zusammengelegten Fasern in den Pellets zusammenhält. Alternativerweise können die Verbundwerkstoffstränge zu einer Fadenform gewickelt werden. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Mehrzahl von zusammengelegten Fasern von etwa 1.500 bis etwa 10.000 und insbesondere von etwa 2.000 bis etwa 4.000. Die Mehrzahl von zusammengelegten Fasern kann wahlweise Matrixfasern umfassen, die aus einem thermoplastischen Material hergestellt sind. In einer Ausführungsform umfasst die chemische Behandlung ein organisches Material, und jeder vorimprägnierte Strang weist einen Gehalt an organischem Material von etwa 2 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 2 Gew.-% bis 15 Gew.-% und insbesondere von etwa 6 Gew.-% bis etwa 7 Gew.-%. Die chemische Behandlung kann thermoplastisch, im Wesentlichen lösemittelfrei und im Wesentlichen nicht lichthärtbar sein und (i) einen Filmbildner, der ein thermoplastisches Polymermaterial von geringer Molekülmasse enthält, und (ii) ein Haftmittel, das ein funktionalisiertes organisches Substrat enthält, umfassen. Alternativerweise kann die chemische Behandlung wärmehärtbar, im Wesentlichen lösemittelfrei und im Wesentlichen nicht lichthärtbar sein und (i) einen Filmbildner, der wenigstens ein multifunktionelles Monomer oder ein multifunktionelles Momomer von geringer Molekülmasse enthält, und (ii) ein Haftmittel, das ein funktionalisiertes organisches Substrat enthält, umfassen. Die Mehrzahl von Verbundwerkstoffsträngen kann mit einem Matrixmaterial geformt werden.
Die chemische Behandlung kann in einer Menge von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 1 Gew.-%, um die Mehrzahl von Fasern zu schlichten, oder in einer Menge von etwa 2 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%, um die Mehrzahl von Fasern vorzuimprägnieren, aufgetragen werden. Die Fasern können ferner polymere Matrixfasern umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Verstärkungsfasern Verstärkungsglasfasern, und der Erwärmungsschritt umfasst das Zuführen von Wärmeenergie zu der aufgetragenen chemischen Behandlung, die von den Verstärkungsglasfasern abgegeben wird, wobei die Verstärkungsglasfasern während des Auftragschritts vorzugsweise eine Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C und insbesondere von etwa 200°C bis etwa 300°C aufweisen. Die Verstärkungsfasern können vorgeformte Verstärkungsfasern umfassen, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Vorwärmens der Glasfasern der vorgeformten Verstärkungsfasern umfasst. Außerdem können die Verstärkungsfasern Glasfasern umfassen, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Bildens der Glasfasern aus einer Quelle von geschmolzenem Verstärkungsglasmaterial umfasst, wobei der Erwärmungsschritt das Zuführen von Wärmeenergie, die in den Verstärkungsglasfasern vom Bildungsschritt gespeichert ist, zu der aufgetragenen chemischen Behandlung umfasst. Der Erwärmungsschritt kann das Zuführen von Wärmeenergie zu der aufgetragenen chemischen Behandlung von einer Quelle, die extern von der Mehrzahl von Fasern ist, umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die chemische Behandlung wärmehärtbar, und der Erwärmungsschritt härtet einen Teil der aufgetragenen chemischen Behandlung wenigstens teilweise aus. Alternativerweise ist die chemische Behandlung thermoplastisch, und der Erwärmungsschritt setzt die Viskosität wenigstens eines Teiles der chemischen Behandlung herab. Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Zusammenlegens der beschichteten Fasern zu einem Verbundwerkstoffstrang umfassen, und der Erwärmungsschritt kann nach dem Zusammenlegeschritt erfolgen. Die chemische Behandlung kann ein organisches Material enthalten, wobei der Verbundwerkstoffstrang einen Gehalt an organischem Material von etwa 2 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% aufweist. Das Verfahren kann auch den Schritt des Ausbildens des Verbundwerkstoffstrangs zu einem Verbundwerkstoffgegenstand mit einer Mehrzahl von Fasern umfassen, die in einer Matrix angeordnet sind, die wenigstens teilweise durch die aufgetragene chemische Behandlung gebildet wird. Die Mehrzahl von Fasern umfasst wahlweise polymere Matrixfasern, welche wenigstens einen Teil der Matrix des Verbundwerkstoffgegenstands bilden. Der Bildungsschritt kann in-line mit dem Zusammenlegeschritt erfolgen. Außerdem können die Verstärkungsfasern und die Matrixfasern miteinander vermischt werden, um die Mehrzahl von Fasern zu bilden. Der Auftrag schritt kann das gleichzeitige Beschichten der Verstärkungsfasern und der Matrixfasern mit der chemischen Behandlung einbeziehen.
Die chemische Behandlung umfasst geeigneterweise: einen Filmbildner, der wenigstens ein multifunktionelles Monomer oder ein multifunktionelles Monomer von geringer Molekülmasse umfasst; und ein Haftmittel, das ein funktionalisiertes organisches Substrat umfasst. Die chemische Behandlung ist dann wärmehärtbar, wenigstens teilweise heiß härtend, im Wesentlichen lösemittelfrei und im Wesentlichen nicht lichthärtbar. Wahlweise kann die Behandlung einen Verarbeitungshilfsstoff, z.B. ein epoxidfunktionelles Viskositätsmodifikationsmittel oder Butoxyethylstearat, umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die chemische Behandlung bei einer Temperatur von etwa 150°C bis etwa 350°C heiß härtbar. Der Filmbildner kann ein Monomer umfassen, das aus Poyesteralkyden, Epoxidharzen und Verbindungen, die glycidyletherfunktionelle Gruppen enthalten, ausgewählt wird. Der Filmbildner kann auch wenigstens ein Element umfassen, das aus Urethanen, Vinylestern, Carbamoylcarbonsäure, reaktionsfähigen Diels-Alder-Spezies und Cope-Umlagerungsverbindungen ausgewählt wird. Vorzugsweise weist die chemische Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 93°C bis etwa 110°C eine Viskosität von bis zu etwa 300 Centipoise (cps) auf.
Alternativerweise umfasst die chemische Behandlung einen Filmbildner, der wenigstens ein thermoplastisches Polymermaterial von geringer Molekülmasse umfasst, und ein Haftmittel, das ein funktionalisiertes organisches Substrat umfasst, wobei die chemische Behandlung thermoplastisch, im Wesentlichen lösemittelfrei und im Wesentlichen nicht lichthärtbar ist. Wahlweise kann die Behandlung einen Verarbeitungshilfsstoff umfassen. Das thermoplastische Polymer von geringer Molekülmasse kann ein gespaltenes Polyester oder Polyamid umfassen, wobei das Polyester oder Polyamid vorzugsweise aus Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und Nylon ausgewählt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Behandlung einen Verarbeitungshilfsstoff, welcher ein Monomeräquivalent umfasst, das aus Di-n-butylterephthalat, Dibenzoatester von 1,4-Butandiol, Diethylterephthalat, Dibenzoatester von Ethylenglycol, Caprolacton, einem Addukt von Adipolychlorid und n-Aminohexan und einem Addukt von 1,6-Hexandiamin und Haxanoylchlorid ausgewählt wird. Vorzugsweise weist die chemische Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 93°C bis etwa 110°C eine Viskosität von bis zu 300 cps auf.
Die Erfindung wird im Folgenden lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum chemischen Behandeln von Fasern ist, die aus einem geschmolzenen Material endlos geformt werden und geeignet zum Herstellen eines Verbundwerkstoffgegenstands sind;
2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Systems zum chemischen Behandeln von Fasern ist, wobei ein Wärmespeicher zwischen einem Faserbildungsmechanismus und einem Auftraggerät der chemischen Behandlung angeordnet ist;
3 eine perspektivische Ansicht einer zusätzlichen Ausführungsform einer Vorrichtung zum chemischen Behandeln von Fasern, welche aus einem geschmolzenen Material endlos geformt werden, und vorgeformten Fasern, welche von Wickelkörpern gezogen werden, ist;
4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Herstellen und anschließenden Zer hacken eines thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangs von vorimprägnierten Verstärkungsfasern zu einer Mehrzahl von Pellets ist, die sich eignen, um zu faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffgegenständen geformt zu werden;
5 eine Draufsicht eines Wickelgeräts zum Wickeln eines thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangs zu einem Faserwickelkörper ist, der sich eignet, um zu einem faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffgegenstand geformt zu werden; und
6 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zum Herstellen und anschließenden Zerhacken eines thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangs von vorimprägnierten Fasern zu einer Mehrzahl von Pellets ist, die sich eignen, zu einem faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffgegenstand geformt zu werden.
Ein allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung von im Wesentlichen lösemittelfreien chemischen Behandlungen zum Auftragen auf Fasern, die zu Verbundwerkstoffgegenständen verarbeitet werden. Eine oder mehrere chemische Behandlungen können zum Beispiel mit einem oder mehreren herkömmlichen Auftraggeräten auf die Fasern aufgetragen werden, um eine ausreichende Anzahl der Verstärkungsfasern zu schlichten und/oder vorzuimprägnieren, um die gewünschten Verbundwerkstoffeigenschaften zu erhalten.
Genauer gesagt werden Fasern oder Filamente mit einer chemischen Behandlung geschlichtet und/oder vorimprägniert. Die chemische Behandlung weist eine niedrige Viskosität auf, ist im Wesentlichen frei von einem reaktionsunfähigen Lösemittel und wird nicht durch eine aktinische Strahlung gehärtet. Die niedrige Viskosität kann durch Wählen von Bestandteilen von verhältnismäßig geringer Molekülmasse für die chemische Behandlung erhalten werden.
Wärmeenergie kann verwendet werden, um die Viskosität herabzusetzen und die Benetzungsfähigkeit der chemischen Behandlung zu verbessern, nachdem die Behandlung auf die Fasern aufgetragen ist. Zusätzlich oder alternativerweise kann Wärmeenergie verwendet werden, um die Molekülmasse der aufgetragenen chemischen Behandlung zu erhöhen oder diese anderweitig zu härten (d.h. zu vernetzen oder die Molekülmasse derselben anderweitig zu erhöhen). Alternativerweise ist es möglich, der aufgetragenen chemischen Behandlung keine Wärmeenergie zuzuführen. Ungeachtet dessen, ob Erwärmung eingesetzt wird, gibt es nur eine geringe – wenn überhaupt eine – Erzeugung von Wasserdampf, flüchtigem organischem Kohlenstoff- oder VOC-Dampf oder einem anderen Lösemitteldampf.
Die resultierenden chemisch behandelten Fasern sind zum Bilden eines Verbundwerkstoffstrangs, z.B. eines vorimprägnierten Strangs („Prepregs") geeignet. Der Verbundwerkstoffstrang kann anschließend in-line oder off-line zu einem Verbundwerkstoffgegenstand verarbeitet werden, der Verstärkungsfasern aufweist, die in einem polymeren Matrixmaterial angeordnet sind.
Eine Vorrichtung, die zum Herstellen eines oder mehrerer Verbundwerkstoffstränge in Faden- oder Pelletform geeignet ist, die sich eignen, um zu faserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffgegenständen geformt zu werden, umfasst eine Quelle von Verstärkungsfasern und wahlweise eine Quelle einer oder mehrerer anderer Arten von Fasern. Eine solche Quelle ist eine Ziehdüse von geschmolzenem Verstärkungsmaterial (z.B. Glas), aus der endlose Verstärkungsfasern in ausreichender Anzahl gezogen werden können, um wenigstens einen Teil – wenn nicht die Gesamtheit – des Strangs zu bilden. Es kann auch wünschenswert sein, dass es sich bei der Quelle von Verstärkungsfasern um eine oder mehrere Spulen oder andere Wickelkörper von vorgeformten Verstärkungsfasern handelt. Eine Quelle von vorgeformten Verstärkungsfasern kann zusammen mit einer Quelle von endlos geformten Verstärkungsfasern verwendet werden. Die Quelle von Fasern kann auch Matrixfasern umfassen, die zum Beispiel aus einer Ziehdüse oder einer Spinnmaschine endlos hergestellt und/oder vorgeformt und in geeigneten Wickelkörpern, wie beispielsweise Spulen, bereitgestellt werden.
Wenn Verstärkungsglasfasern gebildet werden, bildet der Faserbildungsmechanismus die Fasern aus einer Quelle von geschmolzenem Glasfasermaterial, wie beispielsweise einer herkömmlichen Glasfaserbildungsziehdüse. Der Faserbildungsvorgang kann off-line aus dem oder in-line mit dem Rest der Vorrichtung durchgeführt werden. Wenn die Fasern, die gebildet werden, Verstärkungsglasfasern sind, bildet der Fasernbildungsmechanismus die Fasern aus einer Quelle von geschmolzenem Verstärkungsglasfasermaterial. In einer Ausführungsform bildet der Faserbildungsmechanismus die Fasern derart, dass sie eine Zeit lang Wärmeenergie abgeben, nachdem sie gebildet wurden.
Ein Auftraggerät wird zum Auftragen der chemischen Behandlung auf im Wesentlichen alle der Fasern verwendet. Das Auftraggerät kann eine herkömmliche oder jede andere Konstruktion aufweisen, die geeignet ist, die gewünschte Art und Menge von chemischer Behandlung aufzutragen. Das Auftraggerät kann mit dem Faserbildungsmechanismus zum Auftragen einer chemischen Behandlung auf die Fasern, um eine Mehrzahl von beschichteten Fasern zu bilden, in-line angeordnet werden. Das Auftraggerät trägt die chemische Behandlung auf, welche im Wesentlichen frei von Lösemittel und im Wesentlichen nicht lichthärtbar ist.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung umfasst ein Auftragsystem, welches die chemische Behandlung aufträgt, wenn die Fasern eine höhere Temperatur als die der aufgetragenen chemischen Behandlung aufweisen. Wenn die chemische Behandlung aufgetragen wird, weisen die Fasern eine ausreichend höhere Temperatur auf, um genügend Wärmeenergie bereitzustellen, um zu bewirken, dass die chemische Behandlung ihre Viskosität herabsetzt oder wenigstens teilweise heiß härtet (z.B. wenn die chemische Behandlung ein wärmehärtbarer Kunststoff ist) oder beides. Die Temperatur der Fasern, wenn die chemische Behandlung aufgetragen wird, reicht jedoch nicht, um einen bedeutsamen Abbau der aufgetragenen chemischen Behandlung zu verursachen. Der Unterschied der Temperaturen der aufgetragenen chemischen Behandlung und der Fasern, auf welche die Behandlung aufgetragen wird, kann durch Einbeziehen eines Wärmespeichers als Teil des Auftragsystems erreicht werden. Dieser Unterschied kann auch erreicht werden, indem das Auftraggerät nahe genug (z.B. benachbart) am Faserbildungsmechanismus angeordnet wird, derart dass die Fasern eine ausreichend höhere Temperatur als die chemische Behandlung aufweisen, wenn diese aufgetragen wird. Solch ein Auftragsystem kann einen Wärmespeicher umfassen, der angeordnet wird, um dabei zu helfen, während und/oder nach dem Auftragen der chemischen Behandlung die Temperatur der Fasern aufrechtzuerhalten oder wenigstens die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls zu verlangsamen.
Ein Zusammenlegeschuh oder irgendeine andere Zusammenlege- oder Bündelvorrichtung wird verwendet, um die behandelten Fasern zu wenigstens einem Strang zusammenzulegen. Der Strang kann dann mit einem geeigneten Polymermaterial, vorzugsweise einem thermoplastischen Kunststoff, beschichtet oder ummantelt und zu dem gewünschten Verbundwerkstoffgegenstand ausgebildet werden.
Das Material, das zum Beschichten oder Ummanteln des chemisch behandelten Strangs verwendet wird, kann von einer Quelle von geschmolzenem thermoplastischem Material, wie beispielsweise von einem Extruder, geliefert werden. Um den behandelten Strang zu beschichten und einen ummantelten Verbundwerkstoffstrang zu bilden, kann der behandelte Strang durch eine geeignete Beschichtungsvorrichtung durchgezogen oder anderweitig durchgeführt werden. Zum Beispiel können ummantelte Verbundwerkstoffstränge durch Ziehen oder anderweitiges Durchführen einer Anzahl der Stränge durch eine entsprechende Anzahl von Düsen gebildet werden, wobei jede Düse jeweils wenigstens eine Ausgangsöffnung aufweist, die bemessen ist, um die Beschichtung zu einem thermoplastischen Mantel der gewünschten Dicke (z.B. derjenigen, die ein Gewichtsverhältnis von Thermoplast zu Glas von etwa 30:70 bis etwa 70:30 ergibt) auszubilden.
Vorzugsweise wird eine Drahtbeschichtungsvorrichtung verwendet, um die Stränge zu ummanteln. Eine Drahtbeschichtungsvorrichtung ist eine Vorrichtung oder Gruppe von Vorrichtungen, die zum Beschichten eines oder mehrerer Stränge mit einem Kunststoffmaterial imstande ist, um einen Mantel von verhältnismäßig gleichförmiger Dicke auf jedem Strang zu bilden. Vorzugsweise umfasst die Drahtbeschichtungsvorrichtung irgendeine Form von Düse, welche den Mantel zur gewünschten gleichförmigen Dicke und/oder zum gewünschten gleichförmigen Querschnitt formt.
Der Strang wird unter Verwendung einer geeigneten Vorrichtung durch die Beschichtungsvorrichtung durchgeschickt oder durchgeführt. Zum Beispiel kann eine Ziehvorrichtung verwendet werden, um den Strang durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung durchzuziehen. Diese Ziehvorrichtung kann von der Drahtbeschichtungsvorrichtung getrennt oder ein Teil davon sein. Ein Zerhacker kann so ausgelegt werden, dass er auch als eine Ziehvorrichtung fungiert oder der Ziehvorrichtung beim Ziehen des Strangs durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung hilft.
Der resultierende beschichtete oder ummantelte Verbundwerkstoffstrang kann auf einzelne Längen zugeschnitten oder anderweitig getrennt werden, um eine Mehrzahl von ummantelten Verbundwerkstoffpellets zu bilden, oder gespult oder anderweitig gewickelt werden, um einen ummantelten Verbundwerkstofffaden zu bilden. Die chemische Behandlung hilft dabei, die Fasern in jedem polymerummantelten Verbundwerkstoffpellet oder -faden zusammenzuhalten.
Ein Verbundwerkstoffgegenstand kann durch Formen eines oder mehrerer der ummantelten Verbundwerkstoffstränge z.B. in Pellet-, Faden- oder einer anderen Form hergestellt werden. Die Mäntel der ummantelten Verbundwerkstoffstränge bilden wenigstens einen Teil und können die Gesamtheit der Matrix des zu formenden Verbundwerkstoffgegenstands bilden. Beispielhafte Formprozesse, die zur Bildung des Verbundwerkstoffgegenstands verwendet werden, umfassen Spritzgieß-, Formpress- und andere geeignete Formtechniken.
1 bis 3 veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform zum chemischen Behandeln einer Mehrzahl von Fasern 10, die zum Herstellen eines Verbundwerkstoffgegenstands geeignet sind. Ein typischer Verbundwerkstoffgegenstand umfasst eine Mehrzahl von Verstärkungsfasern 12, die in einer Matrix aus polymerem Material angeordnet sind.
Zusätzlich zu den Verstärkungsfasern 12 können die Fasern 10 auch andere Arten von Fasern umfassen, die sich zum Herstellen eines Verbundwerkstoffgegenstands eignen, wie beispielsweise Matrixfasern 13. Die Matrixfasern 13 sind vorzugsweise aus einem polymeren Matrixmaterial hergestellt und bilden wenigstens einen Teil der Matrix. Die Verstärkungsfasern 12 können Glas sein, das aus einer Quelle von geschmolzenem Verstärkungsglasmaterial (z.B. einer her kömmlichen Verstärkungsglasfaserziehdüse wie in 1 und 2 dargestellt) endlos gezogen wird. Endlos geformte Verstärkungsglasfasern sind besonders vorteilhaft, da Wärmeenergie, die vom Bildungsprozess in den Glasfasern gespeichert ist, eingesetzt werden kann, um der aufgetragenen chemischen Behandlung wirksam Wärme zuzuführen. Zusätzlich zur oder anstelle der Verwendung von endlos geformten Glasfasern können die Verstärkungsfasern 12 vorgeformte Verstärkungsfasern umfassen, die aus Glas- und/oder synthetischen Verstärkungsmaterialien hergestellt sind.
Der Begriff „vorgeformt" bezieht sich auf Fasern, die offline gebildet werden, bevor sie mit einer chemischen Behandlung gemäß der vorliegenden Erfindung versorgt oder versehen werden. Der Begriff „Glas" bezieht sich auf ein anorganisches Schmelzprodukt, das sich beim Abkühlen zu einem starren nichtkristallinen Zustand verfestigen, und soll gewöhnliche Silicatglasarten, sowie glasartige Mineralmaterialien, die zur Herstellung von Verstärkungsfasern geeignet sind, wie beispielsweise Borosilicatglas, Glaswolle, Steinwolle, Schlackenwolle und Mineralwolle, umfassen. Dagegen sind „synthetische" Verstärkungsmaterialien Nichtglasmaterialien, wie beispielsweise Kevlar^®, Kohlenstoff oder Grafit, Siliciumcarbid (SiC), und andere Nichtglasmaterialien mit geeigneten Verstärkungseigenschaften. Wenn Fasern aus verschiedenen Materialien verwendet werden, ist vorgesehen, dass dieselbe oder eine unterschiedliche chemische Behandlung für jede Art von Faser verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform wird die chemische Behandlung gemäß Verfahren und unter Verwendung einer Vorrichtung aufgetragen, welche Wärmeenergie verwenden, um wenigstens eine von zwei Änderungen in der aufgetragenen Chemikalie zu bewirken. Wärmeenergie kann verwendet werden, um die Viskosität herabzusetzen, was die Benetzungsfähigkeit einer chemischen Behandlung verbessert, die auf die Fasern aufge tragen wurde. Alternativerweise oder zusätzlich kann Wärmeenergie verwendet werden, um die Molekülmasse der aufgetragenen chemischen Behandlung zu erhöhen oder diese anderweitig zu härten. 1 und 2 veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der Vorrichtung und der Verfahren zum Auftragen der chemischen Behandlungen.
Die chemische Behandlung, welche verwendet wird, um die Fasern 10 zu beschichten, weist im Vergleich zum Matrixmaterial eine verhältnismäßig geringe Molekülmasse und Viskosität auf und ist im Wesentlichen auch frei von einem reaktionsunfähige Lösemittel. Ein „reaktionsunfähiges Lösemittel" (z.B. Wasser oder bestimmte organische Lösemittel) ist ein Lösemittel, das in der Gegenwart von Wärmeenergie eher aus der chemischen Behandlung verdampft, als dass es mit einem Bestandteil der chemischen Behandlung oder des Matrixmaterials reagiert. Die chemische Behandlung ist im Wesentlichen „lösemittelfrei", d.h. im Wesentlichen frei von solch einem im Wesentlichen reaktionsunfähigen Lösemittel. Demnach können Spuren eines reaktionsunfähigen Lösemittels in der chemischen Behandlung vorhanden sein, aber die Menge des vorhandenen Lösemittels ist an sich nicht genug, um die Viskosität der chemischen Behandlung wesentlich herabzusetzen (d.h. die Fähigkeit der chemischen Behandlung zur Benetzung der Fasern zu beeinflussen). Außerdem ist die aufgetragene chemische Behandlung ausreichend frei von jeglichen reaktionsunfähigen Lösemitteln, derart dass keine bedeutsame Menge von Wasserdampf, VOC-Dampf oder einem anderen Lösemitteldampf erzeugt wird, wenn die chemische Behandlung erwärmt wird, einschließlich während des Formens des Verbundwerkstoffgegenstands. Dadurch, dass die vorliegende chemische Behandlung lösemittelfrei ist, kann sie eine herabgesetzte Viskosität aufweisen und/oder heiß gehärtet werden, ohne einen wesentlichen Masseabfall zu erleiden. Demnach bleibt der Großteil der chemischen Behandlung, der auf die Fasern 10 aufgetragen wird, auf den Fasern.
Dass die chemische Behandlung lösemittelfrei ist, schließt jedoch nicht die Verwendung eines oder mehrerer Zusatzstoffe in der chemischen Behandlung aus, die löslich und mit den anderen Zutaten (z.B. dem Haftmittel) kompatibel sind. Zum Beispiel kann ein kompatibles Viskositätsmodifikationsmittel, wie beispielsweise ein HELOXY^®-Produkt (ein epoxidfunktionelles Modifikationsmittel), das von der Shell Chemical Company erhältlich ist, z.B. ein Diglycidylether von 1,4-Butandiol (HELOXY Modifier 67) oder ein Polyglycidylether von Castoröl (HELOXY Modifier 505), in einem Filmbildnersystem verwendet werden, um mit einer oder mehreren Zutaten zu interagieren oder reagieren, um die Viskosität der chemischen Behandlung herabzusetzen, statt in Gegenwart von Wärmeenergie in der Form eines Dampfes ausgetrieben zu werden.
Die chemische Behandlung ist außerdem bis zu einem hohen Grad nicht durch aktinische Strahlung härtbar (d.h. sie ist nicht lichthärtbar). Das heißt, die chemische Behandlung reagiert fotochemisch nicht, um infolge der Wirkung von aktinischer Strahlung auszuhärten oder die Viskosität wesentlich zu erhöhen.
Die chemische Behandlung, welche von wärmehärtbarer oder thermoplastischer Beschaffenheit sein kann, wird zum Schlichten und/oder Vorimprägnieren der Anzahl von Fasern 12 verwendet, die notwendig sind, um die gewünschten Verbundwerkstoffeigenschaften zu erhalten. Die chemische Behandlung kann auch zum Schlichten und/oder Vorimprägnieren anderer Arten von Fasern 10, wie beispielsweise der Fasern 13, die aus einem polymeren Matrixmaterial hergestellt sind, verwendet werden.
Matrixfasern können entweder in-line endlos geformt oder vorgeformt werden und werden im Wesentlichen verwendet, um einen Teil oder die Gesamtheit der Matrix des Verbundwerk stoffgegenstands zu bilden. Wenn Matrixfasern verwendet werden, kann der Schritt des Auftragens der chemischen Behandlung das Schlichten und/oder Vorimprägnieren der Matrixfasern mit derselben oder einer anderen chemischen Behandlung als jener, die auf die Verstärkungsfasern aufgetragen wird, umfassen.
In den meisten Fällen wird sowohl eine Vorimprägnierung als auch eine Schlichte gewünscht, weshalb es vorzuziehen ist, dass dieselbe chemische Behandlung sowohl zum Schlichten als auch zum Vorimprägnieren der Fasern 10 verwendet wird. Wahlweise kann jedoch eine chemische Behandlung verwendet werden, um die Verstärkungs- und/oder Matrixfasern zu schlichten, und eine andere chemische Behandlung kann verwendet werden, um die Verstärkungs- und/oder Matrixfasern vorzuimprägnieren. Wenn verschiedene Arten von Matrixfasern verwendet werden, ist es möglicherweise vorzuziehen, eine unterschiedliche chemische Behandlung auf jede Matrixfaserart aufzutragen.
Das Schlichten von Fasern bezieht das Auftragen wenigstens einer Monoschicht der chemischen Behandlung auf die Oberfläche jeder Faser ein. Verstärkungsglasfasern 12 gelten im Allgemeinen als geschlichtet, wenn ein Gehalt an chemischer Behandlung von 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-%, z.B. in der Größenordnung von etwa 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der behandelten Fasern, auf die Fasern 12 aufgetragen ist. Das Vorimprägnieren bezieht Beschichten oder anderweitiges Auftragen einer ausreichenden Menge der chemischen Behandlung auf eine Mehrzahl von Fasern ein, um die Räume zwischen den Fasern im Wesentlichen zu füllen, wenn die Fasern 10 zu einem Bündel oder Strang 14 ausgebildet werden. Ein Bündel oder Strang 14 von Verstärkungsglasfasern 12 gilt im Allgemeinen als vorimprägniert, wenn der Strang 14 einen Gehalt an chemischer Behandlung von etwa 2 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% aufweist.
Die Fasern können geschlichtet werden, ohne gleichzeitig vorimprägniert zu werden, wenn die chemische Behandlung zum Beispiel in einer geringen Menge aufgetragen wird und/oder wenn sie eine ausreichend niedrige Viskosität aufweist. Die Viskosität einer chemischen Behandlung kann durch Einstellen ihrer Temperatur eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Viskosität der Behandlung durch Einsetzen der Wärme, die in den Fasern vorhanden ist, in geeigneter Weise eingestellt werden, nachdem sie aufgetragen wurde.
Vorzugsweise werden wenigstens die Verstärkungsfasern 12 der Strangfasern 10 mit einer chemischen Behandlung in einer Menge von etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-%, insbesondere von etwa 5 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% und noch besser von etwa 8 Gew.-% (bezogen auf das Gewicht der behandelten Fasern) beschichtet. Ein herkömmliches Glühverlust- oder LOI-Verfahren (LOI für engl. loss on iginition) kann verwendet werden, um zu bestimmen, wie viel von der aufgetragenen chemischen Behandlung auf den Fasern 12, welche vorzugsweise Glas sind, ist.
Ein bevorzugter LOI-Bereich oder -Wert ist jener, der die gewünschten Verbundwerkstoffstrangeigenschaften zu den niedrigsten Kosten ergibt. Es stellte sich heraus, dass Probenstränge 14 bei einem LOI-Wert von 8% gut vorimprägniert, aber für den Tastsinn nicht feucht sind. LOI-Werte, die zu niedrig sind, können das Ausfransen des Strangs 14 (d.h. das Brechen einer Anzahl von einzelnen Glasfasern im Strang) bei der anschließenden In-line- oder Off-line-Verarbeitung und -Bearbeitung verursachen. Aber je mehr chemische Behandlung beigegeben wird, umso mehr kostet das Endprodukt. Höhere LOI-Werte können auch Komponenten mit niedriger Viskosität aus dem Strang 14 ablassen. Auf jeden Fall ist ein LOI-Wert von etwa 25 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% zum Herstellen eines Verbundwerkstoffgegenstands vorzuziehen, wobei das ganze Matrixpolymer durch den Verbundwerkstoffstrang 14 bereitgestellt wird.
Demnach können die Fasern 10 gemäß der vorliegenden Erfindung chemisch behandelt werden, um ein Prepreg (einen vorimprägnierten Verbundwerkstoffstrang) 14 oder einen Verbundwerkstoffstrang 14, der nur geschlichtete Fasern 10 enthält, zu bilden. Einer oder mehrere der Verbundwerkstoffstränge 14 kann anschließend in-line oder off-line zu einer Vielfalt von Verbundwerkstoffgegenständen verarbeitet werden. Zum Beispiel kann der Schritt des Bildens des Verbundwerkstoffstrangs in-line mit einem Zusammenlegeschritt bewerkstelligt werden. Beispielhafte Verbundwerkstoffgegenstände, zu welchen ein Strang 14 ausgebildet werden kann, umfassen eine Matte, einen Stoff, ein Gewebe, ein Einsetzstück, ein Wickelrohr, einen Pultrusionsgegenstand (Pultrusion) oder Faserspritzgegenstände (Schießroving). Die Stränge 14 können auch auf Längen oder Pellets zerhackt werden, die sich zur Verwendung bei Spritzgieß- oder anderen Formprozessen eignen, um Verbundwerkstoffgegenstände zu bilden.
Im Allgemeinen umfasst eine chemische Behandlung, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, einen Filmbildner und ein Haftmittel. Der Filmbildner bildet eine Schicht aus Polymermaterial um jede Faser, die mit der chemischen Behandlung beschichtet wird. Das Haftmittel hilft dabei, den Filmbildner wenigstens an die Verstärkungsfaser zu binden oder anderweitig damit zu verbinden. Das Haftmittel kann, falls angebracht, auch gewählt werden, um dabei zu helfen, dass der Filmbildner mit dem polymeren Matrixmaterial reagiert oder interagiert.
Die aufgetragene chemische Behandlung verhält sich wie ein wärmehärtbarer Kunststoff oder ein thermoplastischer Kunststoff. Außerdem kann die Behandlung sowohl wärmehärtbare als auch thermoplastische Komponenten aufweisen, z.B. kann die Behandlung ein im Wesentlichen thermoplastisches Polymer mit reaktionsfähigen Endgruppen, die an einer Wärme härtungs/Aushärtungsreaktion teilnehmen können, enthalten. Der Filmbildner, der in jeder Art von chemischer Behandlung verwendet wird, kann dasselbe Polymermaterial sein wie jenes, das für die Verbundwerkstoffmatrix verwendet wird.
Eine wärmehärtbare chemische Behandlung ist teilweise oder zur Gänze heiß härtbar und im Wesentlichen nicht lichthärtbar, und sie kann mit einem polymeren Matrixmaterial verwendet werden, dass entweder ein wärmehärtbarer Kunststoff oder ein thermoplastischer Kunststoff ist. Wenn sich die chemische Behandlung wie ein wärmehärtbarer Kunststoff verhält, kann zugeführte Wärmeenergie die aufgetragene chemische Behandlung wenigstens teilweise aushärten und eine Zunahme der Viskosität wenigstens des Teils der chemischen Behandlung, der ausgehärtet wird, bewirken. Eine bevorzugte chemische Behandlung ist bei Temperaturen von etwa 350°C (662°F) und darunter heiß härtbar.
In beispielhaften wärmehärtbaren chemischen Behandlungen umfasst der Filmbildner vorzugsweise entweder ein oder mehr monofunktionelle Monomere von verhältnismäßig geringer Molekülmasse, ein oder mehr multifunktionelle Monomere von verhältnismäßig geringer oder hoher Molekülmasse oder eine Kombination davon. Ein monofunktionelles Monomer weist eine Reaktionsstelle je Molekül auf, während ein multifunktionelles Monomer zwei oder mehr Reaktionsstellen je Molekül aufweist. Das Monomer ist heiß härtbar, ohne eine bedeutsame Menge von Wasserdampf, flüchtigem organischem Kohlenstoffdampf oder einem anderen Lösemitteldampf zu erzeugen. Zum Beispiel kann der Filmbildner, der in einer wärmehärtbaren chemischen Behandlung verwendet wird, wenigstens ein funktionelles Monomer von geringer Molekülmasse aus der Gruppe, welche z.B. Polyesteralkyd, ein Epoxidharz und eine Kombination von glycidyletherfunktionellen Gruppen umfasst, aufweisen, das ausreicht, um einen Film auf jeder Faser zu bilden, und dennoch kein Epoxidharz darstellt. Andere geeignete funktionelle Mono mere zur Verwendung als ein ganzer Filmbildner oder ein Teil davon umfassen Urethan, Vinylester, Carbamoylcarbonsäure, reaktionsfähige Diels-Alder-Spezies (wie beispielsweise Diene oder Dienophile) und Moleküle, welche sich einer Cope-Umlagerung unterwerfen können. Die Molekülmasse der funktionellen Monomere ist im Vergleich zum Matrixmaterial geeigneterweise gering, um eine chemische Behandlung mit einer niedriger Viskosität zu erhalten.
In beispielhaften thermoplastischen chemischen Behandlungen umfasst der Filmbildner vorzugsweise wenigstens ein thermoplastisches Polymermaterial von geringer Molekülmasse, das bei höheren Temperaturen eine verhältnismäßig niedrige Viskosität aufweist. Thermoplastische Kunststoffe weisen im Vergleich zu typischen ungehärteten wärmehärtbaren Kunststoffen für gewöhnlich verhältnismäßig hohe Molekülmassen und infolgedessen hohe Viskositäten auf. Solche thermoplastischen Kunststoffe von hoher Molekülmasse können jedoch im Filmbildner einer thermoplastischen chemischen Behandlung noch verwendet werden, wenn sie gespalten oder anderweitig zu einer ausreichend geringen Molekülmasse verarbeitet werden. Thermoplastische Kunststoffe von hoher Molekülmasse, zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), andere Polyester und Polyamide, wie beispielsweise Nylon, können zu diesem Zweck in angemessener Weise gespalten werden.
Einige thermoplastische Kunststoffe können, selbst wenn sie gespalten sind, eine unerwünscht hohe Viskosität aufweisen. In solchen Fällen kann ein Verarbeitungshilfsstoff oder ein Viskositätsmodifikationsmittel im Filmbildnersystem verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Monomeräquivalent des thermoplastischen Materials oder eine Mischung aus einem Monomeräquivalent und einem Oligomer (z.B. einem gespaltenen thermoplastischen Material) als ein Verarbeitungshilfsstoff mit einem thermoplastischen Kunststoff von hoher Molekülmasse verwendet werden. Beispielhafte thermoplastische Monomeräquivalente umfassen Di-n-butylterephthalat und den Dibenzoatester von 1,4-Butandiol für PBTs; Diethylterephthalat und den Dibenzoatester von Ethylenglycol für PETs; und Caprolactan, das Addukt von Adipolychlorid und n-Aminohexan, und das Addukt von 1,6-Hexandiamin und Hexanoylchlorid für Nylons. In diesen Beispielen können die Monomeräquivalentmoleküle als Verarbeitungshilfsstoffe agieren, um zu ermöglichen, dass thermoplastische Kunststoffe von hoher Molekülmasse, wie beispielsweise PBT, PET und Nylon, wenigstens einen Teil des Filmbildners in der chemischen Behandlung bilden.
Die zuvor erwähnten beispielhaften monomeräquivalenten Verarbeitungshilfsstoffe können mit anderen thermoplastischen Kunststoffen verwendet werden, und/oder sie können reaktionsfähig gemacht und mit wärmehärtbaren oder thermoplastischen Kunststoffen verwendet werden. Zufrieden stellende Ergebnisse wurden bei Verwenden von Butoxyethylstearat (BES) als einen Verarbeitungshilfsstoff in den BES-haltigen chemischen Behandlungen erzielt, die in den folgenden Beispielen für wärmehärtbare Matrizen beschrieben werden. Vorzugsweise enthalten solche Verarbeitungshilfsstoffe dieselben Arten von funktionellen Gruppen wie das Matrixpolymer. Es kann unzählige Moleküle und/oder Kombinationen von Molekülen geben, die als monomeräquivalente Verarbeitungshilfsstoffe verwendbar sind.
Wenn sich die chemische Behandlung wie ein wärmehärtbarer Kunststoff verhält, wird vorzugsweise ein Erwärmungsschritt verwendet, um die aufgetragene chemische Behandlung wenigstens auszuhärten und eine Zunahme der Viskosität wenigstens des Teils der aufgetragenen chemischen Behandlung, der gehärtet wird, (d.h. des Teils, welcher der Wärme am direktesten ausgesetzt ist) zu bewirken. Diese Zunahme der Viskosität kann durch eine Zunahme der Molekülmasse bewirkt werden, während die wärmehärtbare chemische Behandlung aushärtet. Der wärmehärtbare Filmbildner ist heiß härtbar, ohne bei Erwärmung eine wesentliche Menge von Lösemitteldampf zu erzeugen. Vorzugsweise sind die funktionellen Monomere, welche für die Filmbildner verwendet werden, bei Temperaturen von etwa 350°C (662°F) und darunter heiß härtbar sind, da die Gefahr eines fortdauernden Abbaus für viele chemische Behandlungen bei Temperaturen von über etwa 350°C (662°F) auf ein unerwünschten Ausmaß zunimmt.
Wenn sich die aufgetragene chemische Behandlung wie ein thermoplastischer Kunststoff verhält, kann die Erwärmung eine Abnahme der Viskosität wenigstens des Teils der aufgetragenen chemischen Behandlung bewirken, welcher der Wärme am direktesten ausgesetzt ist (z.B. benachbart zu einer heißen Faser). Wenn die Viskosität während des Erwärmungsschrittes herabgesetzt wird, gibt es vorzugsweise einen Abfall der Viskosität, der ausreicht, um die Fähigkeit der aufgetragenen thermoplastischen chemischen Behandlung, die Fasern 10 zu benetzen (um die Fasern zu beschichten und mit der Faseroberfläche zu interagieren), zu verbessern, wie gewünscht. Die Benetzung der aufgetragenen chemischen Behandlung auf den Fasern 10 verbessert sich eher, wenn wenigstens für den Teil der aufgetragenen chemischen Behandlung, der benachbart zur Fasseroberfläche angeordnet ist, ein Abfall der Viskosität eintritt. Um die Möglichkeit eines fortdauernden Abbaus während des Erwärmens zu verhindern, ist es auch vorzuziehen, dass der thermoplastische Filmbildner im Besonderen und die thermoplastische chemische Behandlung als Ganzes bei Temperaturen von etwa 350°C (662°F) und darunter eine ausreichend niedrige Viskosität aufweisen.
Die Viskosität jeder Art von chemischer Behandlung ist niedrig genug, um die Fasern 10, wenn schon nicht ganz, so wenigstens teilweise zu benetzen, wenn die chemische Behandlung anfänglich aufgetragen wird. Um die chemische Behandlung unter Verwendung herkömmlicher Geräte (z.B. eines Standardauftraggeräts 26 mit einer oder zwei Walzen) auftragen zu können, ohne zu bewirken, dass die Fasern 10, insbesondere Glasfasern, in erheblich hoher Zahl brechen, weist die chemische Behandlung vorzugsweise eine Viskosität von etwa 1.000 cps oder weniger auf, bevor sie aufgetragen wird. Je niedriger die Viskosität der chemischen Behandlung ist, die aufgetragen wird, umso schneller können die Fasern 10 verarbeitet werden, ohne einen bedeutsamen Faserbruch zu verursachen. Demnach weist die chemische Behandlung vor dem Auftrag besser eine Viskosität von etwa 300 cps oder weniger auf. In einer bevorzugten Ausführungsform zur vorteilhaften Verarbeitung der Fasern 10 weist die chemische Behandlung, so wie sie aufgetragen wird, eine Viskosität in der Größenordnung von etwa 50 cps und vorzugsweise von etwa 10 cps auf, wie durch einen herkömmlichen Viskositätsmesser (z.B. einen Viskositätsmesser Brookfield oder ICI) gemessen.
Es folgen spezifische Beispiele für Filmbildner, die in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: flüssige und schmelzbare. In der „Flüssig"-Kategorie gibt es drei Beispiele von maleatbasierten Filmbildner, die synthetisiert wurden. Außerdem gibt es zwölf epoxidbasierte Filmbildner, die aus herkömmlichen im Handel erhältlichen Zutaten hergestellt werden. Es gibt einen anderen flüssigen Filmbildner (Allylpropoxylaturethan), der entweder in einer wärmehärtbaren oder einer thermoplastischen chemischen Behandlung verwendet werden kann. In der „Schmelzbar"-Kategorie gibt es zwei Filmbildnersysteme, welche jeweils aus einem im Handel erhältlichen Polycaprolacton und einem der flüssigen Filmbildner hergestellt werden. Das beispielhafte Polycaprolactonsystem ist bei Raumtemperatur ein Feststoffpolymer. Diese beispielhaften Filmbildner sind alle gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitbar.
Beispiel 1 bis 6: Flüssige Filmbildner
Beispiel 1 – Propylenglycolfumarat:
Ein herkömmlicher 38-Liter- oder 10-Gallonen-Edelstahlreaktor wurde mit 17,02 kg Propylenglycol (von der Ashland Chemical Company in Columbus, Ohio, erhältlich) und 12,98 kg Fumarsäure (von der Huntsman Specialty Chemical in Salt Lake City, Utah erhältlich) geladen. Zur Stabilität wurden zusätzlich 3,62 kg (120 ppm) Toluhydrochinon (THQ) (von der Aldrich Chemical Company in Milwaukee, Wisconsin, erhältlich) in den Reaktor gegeben. Das Molverhältnis der Ladung betrug 2:1 Propylenglycol (PG) zu Fumarsäure (FA). Die Mischung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre fünf Stunden lang bei 193°C (380°F) erwärmt. Der Endpunkt der Reaktion wurde durch die Viskosität des PG-FA-Produkts bestimmt, welche bei 49°C (120°F) 360 bis 450 cps betrug, wie durch einen Kegel-Platte-Viskositätsmesser, wie beispielsweise dem, der von ICI in Wilmington, Delaware, hergestellt wird, bestimmt. Der Säurewert, der beim Reaktionsendpunkt zu beobachten ist, beträgt normalerweise 10 bis 36 Meq KOH/g von Alkyd (Milliäquivalent Kaliumhydroxid je Gramm Alkyd). Dieses Material kann direkt als ein Filmbildner verwendet werden.
Beispiel 2 – Propoxyliertes Bisphenol-A-Maleat:
Ein 189-l- oder 50-gal-Edelstahlreaktor wurde mit 159,68 kg propoxyliertem Bisphenol-A (von der Milliken Chemical in Inman, South Carolina, erhältlich) und 20,33 kg Maleinsäureanhydrid (von der Huntsman Specialty Chemical erhältlich) geladen. Zur Stabilität wurden zusätzlich 18 g (100 ppm) Hydrochinon (HQ) (von der Aldrich Chemical Company erhältlich) in den Reaktor gegeben. Die Mischung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre 2,5 Stunden lang bei 79°C (175°F) und dann 3,5 Stunden lang bei 135°C (275°F) erwärmt. Der Endpunkt dieser Reaktion wurde durch den Säurewert bestimmt, wobei die Reaktion als abgeschlossen angesehen wurde, wenn der Säurewert ein Niveau von 63,6 Meq KOH/g von Alkyd erreichte und durch Infrarotspektroskopie kein Maleinsäureanhydrid mehr beobachtet wurde. Die Viskosität dieses Produkts reichte bei einer Temperatur von 93°C (200°F) von 100 bis 130 cps, wie durch einen Kegel-Platte-Viskositätsmesser von ICI gemessen. Dieses Material kann direkt als ein Filmbildner verwendet werden.
Beispiel 3 – Propoxyliertes Allylalkoholmaleat:
Ein 57-l- oder 15-gal-Edelstahlreaktor wurde mit 15,49 kg propoxyliertem Allylalkohol (von der Arco Chemical Company in New Town Square, Pennsylvania, erhältlich) und 9,88 kg Maleinsäureanhydrid (von der Huntsman Specialty Chemical erhältlich) geladen. Zur Stabilität wurden zusätzlich 2,53 g (100 ppm) HQ in den Reaktor gegeben. Die Mischung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre vier Stunden lang bei 121 bis 149°C (250 bis 300°F) erwärmt. Der Reaktionsendpunkt war erreicht, wenn der Säurewert ein Niveau von 263,4 Meq KOH/g von Alkyd erreichte und durch Infrarotspektroskopie kein Maleinsäureanhydrid mehr zu beobachten war. Die Viskosität dieses Produkts reichte bei einer Temperatur von 93°C (200°F) von 100 bis 130 cps, wie durch einen Kegel-Platte-Viskositätsmesser von ICI gemessen. Dieses Material kann direkt als ein Filmbildner verwendet werden.
Beispiel 4A–K – Epoxidsysteme mit niedriger Viskosität
Ein typischer epoxidbasierter Filmbildner enthält ein oder mehr Epoxide, welche von der Shell Chemical Company erhältlich sind, z.B. EPON Resin 8121, EPON Resin SU-2.5, EPON Resin 160, HELOXY Modifier 62 (Cresylglycidylether), HELOXYL Modifier 67 (Diglycidylether von 1,4-Butandiol) und HELOXY Modifier 505 (Polyglycidylether von Castoröl). Alle der unten aufgelisteten epoxidbasierten Filmbildnersysteme weisen bei Raumtemperatur eine Viskosität von unter 50 cps auf. Die spezifizierten Prozentsätze sind in Gewichtsprozent (alle Prozentsätze und Verhältnisse, die in der gesamten Spezifikation angegeben sind, sind gewichtsbezogen, sofern nicht anders angegeben).

(A) 100% HELOXY Modifier 67
(B) 98% HELOXY Modifier 67, 2% HELOXY Modifier 62
(C) 90% HELOXY Modifier 67, 10% HELOXY Modifier 62
(D) 98% HELOXY Modifier 67, 2% EPON Resin 160
(E) 90% HELOXY Modifier 67, 10% EPON Resin 160
(F) 98% HELOXY Modifier 67, 2% EPON Resin SU-2.5
(G) 90% HELOXY Modifier 67, 10% EPON Resin SU-2.5
(H) 97% HELOXY Modifier 67, 3% HELOXY Modifier 505
(I) 100% HELOXY Modifier 62
(J) 70% HELOXY Modifier 67, 30% EPON Resin 8121
(K) 65% HELOXY Modifier 67, 30% EPON Resin 8121, 5% EPON Resin SU-2.5

Beispiel 5 – Epoxid mit hoher Viskosität:
Neben den zuvor erwähnten Epoxidsystemen ist ein beispielhaftes Hochtemperaturepoxidfilmbildnersystem mit höherer Viskosität eine Eins-zu-Eins-Mischung des Epoxidharzes DER 337 (von der Dow Chemical erhältlich) und Araldite GT7031 (von der Ciba-Geigy Corp. in der Schweiz erhältlich). Dieser Filmbildner weist bei 93°C (200°F) eine Viskosität von 350 bis 450 cps auf, wie unter Verwendung eines Viskositätsmessers von Brookfield bestimmt.
Beispiel 6 – Allylpropoxylaturethan:
Ein dreihalsiger 12-Liter-Glasreaktor mit rundem Boden, der mit einem Heizmantel, einem Friedrichs-Kühler, einem 1-Liter-Beigabetrichter, einem elektrischen Überkopfrührer und einer Thermoelementtemperatursonde ausgestattet war, wurde mit 3,63 kg (21,6 mol) Desmodur H (Hexamethylendiisocyanat, erhältlich von der Bayer Chemical in Pittsburgh, Pennsylvania) geladen. Dem wurden 0,5 g (50 ppm) Dibutylzinnlaurat (von der Aldrich Chemical Company) erhältlich beigegeben. Als Nächstes wurden über den Beigabetrichter 6,37 kg (43,6 mol) ARCAL Allylpropoxylat 1375 (propoxylierter Allylalkohol, erhältlich von der Arco Chemical Company) beigegeben. Das Allylpropoxylat wurde tröpfchenweise beigegeben, und die Temperatur wurde auf 80°C gehalten, indem die Beigaberate und die Temperatur des Heizmantels variiert wurden. Nachdem die Beigabe abgeschlossen war, wurde die Temperatur der Reaktorinhalte drei (3) Stunden lang und für eine Zeit, bis die Wellenzahlspitze 2.200 im Infrarotspektrum der Reaktionsmischung verschwand, die den Ioscyanatgruppen des Desmodur H entsprach, auf 80°C gehalten. Dieser Filmbildner kann ohne jegliche Reinigung oder weitere Bearbeitung direkt verwendet werden.
Beispiel 7 und 8: Schmelzbare Filmbildner
Beispiel 7 – Propoxyliertes Bisphenol-A-Maleat/TONE 0260
Das propoxylierte Bisphenol-A-Maleat von Beispiel 2 wurde mit TONE 0260 (einem Polycaprolactonpolymer, das von Union Carbide erhältlich ist) in einem Gewichtsverhältnis von eins zu eins gemischt. Diese Mischung ist bei Raumtemperatur ein Feststoff, weist aber bei einer Temperatur von 93 bis 110°C (200 bis 230°F) eine Viskosität von 50 bis 250 cps auf.
Beispiel 8 – Propoxyliertes Allylalkoholmaleat/TONE 0260
Das propoxylierte Allylalkoholmaleat von Beispiel 3 wurde mit TONE 0260 in einem Gewichtsverhältnis von 1:1 gemischt. Diese Mischung ist bei Raumtemperatur ein Feststoff, weist aber bei einer Temperatur von 93 bis 110°C (200 bis 230°F) eine Viskosität von 50 bis 250 cps auf.
Optionale Zutaten
Zusätzlich zu oder anstelle von anderen Viskositätsmodifikationsmitteln, wie beispielsweise jenen, die zuvor erwähnt wurden, kann auch n-Butylcarbamoylcarbonsäure als ein Modifikationsmittel verwendet werden, wenn es entweder mit thermoplastischen oder wärmehärtbaren Materialien in geeigneter Weise reaktionsfähig ist, um die Viskosität des Filmbildners oder der ganzen chemischen Behandlung herabzusetzen. Ein bevorzugtes reaktionsfähiges Carbamoylcarbonsäuremodifikationsmittel wurde hergestellt wie folgt:
Ein dreihalsiger 2-Liter-Glasreaktor mit rundem Boden, der mit einem Heizmantel, einem Friedrichs-Kühler, einem 1-Liter-Beigabetrichter, einem elektrischen Überkopfrührer und einer Thermoelementtemperatursonde ausgestattet war, wurde mit 150 g (1,53 mol) Maleinsäureanhydrid (von der Huntsman Specialty Chemical erhältlich) und 0,02 g Hydrochinon (von der Aldrich Chemical Co. erhältlich) geladen. Diese Feststoffe wurden durch die Beigabe von 350 ml Aceton (hoher Reinheitsgrad, erhältlich von der Aldrich Chemical) aufgelöst. Die Lösung aus Maleinsäureanhydrid und Hydrochinon wurde im Reaktor gerührt. Eine Lösung von 111 g (1,51 mol) n-Butylamin (von der Aldrich Chemical erhältlich) in 150 ml Aceton wurde zusätzlich in den Reaktor gegeben. Die n-Butylaminlösung wurde tröpfchenweise beigegeben, und die Temperatur wurde auf 55°C gehalten, indem die Beigaberate und die Temperatur des Heizmantels variiert wurden. Sobald die Beigabe abgeschlossen war, wurde die Temperatur des Reaktors und der Inhalte drei Stunden lang auf 60°C gehalten. Das Aceton wurde dann bei vermindertem Druck und 60°C durch Rotationsverdampfung entfernt. Das feste n-Butylamincarbamoylcarbonsäureprodukt wurde bei 90°C als eine Flüssigkeit aus dem Reaktor entfernt, die ohne weitere Reinigung oder Bearbeitung direkt verwendet werden kann. Ein kleiner Teil der erzeugten n-Butylcarbamoylcarbonsäure wurde aus Aceton wieder auskristallisiert. Der Schmelzpunkt des wieder auskristallisierten Materials be trug 74,9°C durch Kalorimetrie mit Differenzialabtastung (DSC für engl. differential scanning calorimetry).
Haftmittel
Für eine wärmehärtbare oder eine thermoplastische chemische Behandlung umfasst das Haftmittel ein funktionalisiertes organisches Substrat (d.h. wenigstens eine organische funktionelle Gruppe, die an ein organisches Substrat gebunden ist). Beispielhafte Arten von funktionalisierten organischen Substraten umfassen Alkohole, Amine, Ester, Ether, Kohlenwasserstoffe, Siloxane, Silazane, Silane, Lactame, Lactone, Anhydride, Carbene, Nitrene, Orthoester, Imide, Enamine, Amine, Amide, Amide und Olefine. Das funktionalisierte organische Substrat ist imstande, mit der Oberfläche der Fasern bei erhöhten Temperaturen (vorzugsweise von etwa 100°C (212°F) bis etwa 350°C (662°F)) zu interagieren und/oder zu reagieren, um eine ausreichende Haftung oder Bindung zwischen den Verstärkungsfasern und dem Matrixmaterial zu erzeugen, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Interaktion führt zu einer Bindung, die aus einer Anziehungskraft resultiert, wie beispielsweise Wasserstoffbindung oder Van-der-Waals-Bindung. Reagieren führt zu einer chemischen Bindung, die normalerweise eine kovalente Bindung ist. Das funktionalisierte organische Substrat kann auch mit dem Matrixmaterial interaktiv oder reaktionsfähig sein. Beispielhafte Haftmittel umfassen Silane, wie beispielsweise Gamma-Aminopropyltriethoxysilan (A-1100), Gamma-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (A-174) und Gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (A-187), welche jeweils von der Witco Chemical Company in Chicago, Illinois, erhältlich sind. Nichtsilan-Haftmittel können ebenfalls verwendet werden. Durch Auswählen eines oder mehrerer funktionalisierter organischer Substrate für das Haftmittelsystem können die gewünschten mechanischen Eigenschaften zwischen den Verstärkungsfasern und dem Matrixmaterial in dem Verbundwerkstoffgegenstand erreicht werden.
Obwohl nicht beabsichtigt ist, sich auf irgendeine Theorie bezüglich der chemischen Behandlungen zu beschränken, wird im Folgenden eine mögliche Erklärung dessen gegeben, wie die Behandlungen funktionieren können. Silanhaftmittel sind normalerweise in wasserbasierten chemischen Behandlungen vorzufinden. Gemäß einer aktuellen Auffassung geht bei einem herkömmlichen Silanhaftmittel der Alkoxysilananteil des Moleküls eine Hydrolyse ein, um ein Hydroxysilan oder Silanol zu werden, um das Haftmittel wasserlöslich zu machen. Ein Ende des Moleküls reagiert oder interagiert mit der Glasoberfläche, und das andere Ende des Moleküls reagiert oder interagiert mit dem Matrixmaterial. Genauer gesagt sind Haftmittel, welche normalerweise in der Glasindustrie verwendet wurden, Organosilane, welche einen organischen Anteil, der mit dem Matrixpolymer reagieren oder interagieren soll, und einen Silananteil oder, genauer gesagt, einen Silanolanteil, der mit der Glasoberfläche reagieren oder interagieren soll, aufweisen. Außerdem wird in einigen Fällen im Allgemeinen akzeptiert, dass der organische Anteil eines Organosilans mit der Glasoberfläche reagieren (z.B. kovalente oder ionische Bindung) oder interagieren (z.B. Wasserstoff- oder Van-der-Waals-Bindung) kann. Im Allgemeinen sollen eine Wasserstoffbindung und andere Verbindungen thermodynamische (unter milden Reaktionsbedingungen reversible) Prozesse sein. In einigen Fällen, wie beispielsweise, wenn sich Silanole an eine Glasfläche binden, wird eine chemische Bindung als ein thermodynamischer Prozess angesehen. Demnach erfolgt bei der vorherigen Haftmitteltechnologie die Bindung von wasserbasierten chemischen Behandlungen an Glas als ein thermodynamischer Prozess. Die ist der Fall, da herkömmliche Prozesse für gewöhnlich unter verhältnismäßig milden Bedingungen durchgeführt werden und für gewöhnlich bis zu einem erheblichen Grad reversibel sind. In einem herkömm lichen Prozess werden, nachdem die Glasfasern mit einer wasserbasierten chemischen Behandlung beschichtet wurden, die beschichteten Fasern gewickelt und in einem Ofen getrocknet. Während sie im Ofen sind, besteht eine Möglichkeit, dass einige der organischen funktionellen Gruppen des Haftmittels mit einigen der organischen funktionellen Gruppen im Filmbildner irreversibel reagieren. Dies geschieht jedoch nicht in größerem Ausmaß, da die Ofentemperaturen, die normalerweise verwendet werden, etwa 66 bis 88°C (150 bis 190°F), nicht hoch genug sind.
Im Gegensatz dazu wird bei den lösemittelfreien chemischen Behandlungen gemäß der vorliegenden Erfindung der Bindungs- oder Haftungsprozess kinetischer in der Beschaffenheit. Das heißt, die Bindung kann unter verhältnismäßig strengen Bedingungen (z.B. bei höheren Temperaturen) erfolgen, und sie kann eine im Wesentlichen irreversible Reaktion einbeziehen. Darüber hinaus kann nun zusätzlich zu einem Haftmittel, das sich an die Faseroberfläche bindet, eine Zwischenphasenregion zwischen den Verstärkungsfasern und dem Matrixmaterial des Verbundwerkstoffgegenstands gebildet werden. Die Zwischenphasenregion wird wenigstens zum Teil durch die aufgetragene chemische Behandlung gebildet. Die Zwischenphasenregion kann auch ganz oder teilweise eine Region um die Faser herum umfassen, wo die chemische Behandlung und das Matrixmaterial miteinander interagiert und/oder reagiert haben. Die chemische Behandlung kann auch zur Gänze im umgebenden Matrixmaterial dispergiert oder aufgelöst werden.
Obwohl herkömmliche Silanhaftmittel in den vorliegenden chemischen Behandlungen verwendet werden können, wird angenommen, dass sich der Mechanismus ihrer Interaktion oder Reaktion mit der Glasoberfläche von dem unterscheidet, der in früheren Prozessen auftritt. Da während der vorliegenden Verarbeitung im Wesentlichen kein Wasser vorhanden ist, reagieren die Alkoxysilane direkt mit der Glas- Oberfläche, um eine Siloxanverkettung zu ergeben und Alkohol freizugeben. Tatsächlich gibt es experimentelle Anzeichen (Protonen-NMR-Daten), die nahe legen, dass die Alkoxysilane in den vorliegenden chemischen Behandlungen unter den Bedingungen, welchen sie bei einer Verarbeitung gemäß der Erfindung ausgesetzt sind, nicht hydrolisieren. Es wird angenommen, dass die Alkoxysilangruppe des Haftmittels, das in den vorliegenden chemischen Behandlungen verwendet wird, mit der Glasoberfläche auf eine kinetische Art und Weise reagiert oder interagiert, um eine Siloxanverkettung zu bilden und Alkohol freizugeben. Demnach ist der vorliegende Prozess eher kinetisch als thermodynamisch, wie durch die Beobachtung bewiesen wird, dass sowohl für wärmehärtbare als auch für thermoplastische Verbundwerkstoffe gute Verbundwerkstoffeigenschaften erreicht wurden, wenn Alkoxysilanhaftmittel in der chemischen Behandlung gemäß der Erfindung gegenwärtig waren, wohingegen sowohl für wärmehärtbare als auch für thermoplastische Verbundwerkstoffe weniger wünschenswerte Verbundwerkstoffeigenschaften erreicht wurden, wenn keine Alkoxysilanhaftmittel in den chemischen Behandlungen gegenwärtig waren.
Wenn ein Alkoxysilanhaftmittel in einer vorliegenden chemischen Behandlung mit einer neu gebildeten Glas- oder anderen Verstärkungsfaseroberfläche über irgendeinen kinetischen Prozess reagiert oder interagiert, dann reagieren oder interagieren auch andere Arten von Molekülen, welche genügend reaktionsfähige funktionelle Gruppen enthalten, wie beispielsweise jene, die zuvor erwähnt wurden, mit einer Glas- oder einer anderen Verstärkungsfaseroberfläche über einen kinetischen Prozess. Außerdem können dieselben funktionellen Gruppen, die mit der Glas- oder anderen Faserfläche über einen kinetischen Prozess reagieren oder interagieren, auch mit dem Rest des organischen Materials in der chemischen Behandlung und/oder dem Matrixmaterial über einen kinetischen Prozess reagieren oder interagieren. Dies kann dann dazu dienen, eine Zwischenphasenregion an der Glas- oder anderen Faseroberfläche oder sehr nahe daran aufzubauen, und es kann auch dazu dienen, die mittlere relative Molekülmasse der chemischen Behandlung zu erhöhen, um dadurch dem resultierenden Glasstrangprodukt wünschenswerte physikalische Eigenschaften zu verleihen. Demnach umfassen die Vorteile der vorliegenden Erfindung die Flexibilität, eine größere Vielfalt von Haftmitteln zu verwenden und eine Zwischenphasenregion zwischen der Faser und der Matrix aufzubauen.
Damit der Verbundwerkstoffgegenstand wünschenswerte mechanische Eigenschaften zwischen den Verstärkungsfasern und dem Matrixmaterial aufweist, ist die chemische Behandlung vorzugsweise mit dem Matrixmaterial des Verbundwerkstoffgegenstands kompatibel. Im Allgemeinen gilt eine chemische Behandlung als kompatibel mit dem Matrixmaterial, wenn sie imstande ist, mit dem Matrixmaterial zu interagieren und/oder zu reagieren. Der Filmbildner jeder Art von aufgetragener chemischer Behandlung kann dasselbe Polymermaterial umfassen wie das Matrixmaterial, und er kann in einer Menge bereitgestellt werden, die ausreicht, um einen Teil oder die Gesamtheit der Matrix des Verbundwerkstoffgegenstands zu bilden.
Die chemischen Behandlungen können im Matrixmaterial ganz oder teilweise mischbar sein, und/oder sie können eine getrennte Phase vom Matrixmaterial bilden. Wenn eine getrennte Phase, kann die chemische Behandlung, die um jede Faser angeordnet ist, eine Mehrzahl von getrennten Phasenregionen, die im Matrixmaterial dispergiert sind, und/oder eine einzige getrennte Phasenregion, welche ihre entsprechende Faser umgibt, bilden.
Wenn es wünschenswert ist, dass der Verbundwerkstoffgegenstand mit einer Art von chemischer Behandlung und einer verschiedenen Art von Matrixmaterial hergestellt wird, wird vorzugsweise eine wärmehärtbare chemische Behandlung mit einer thermoplastischen Matrix verwendet. Eine wärmehärtbare chemische Behandlung von geringer Molekülmasse kann während der Thermoplastverarbeitung aushärten und/oder mit den Kettenenden des thermoplastischen Matrixmaterials reagieren. Folglich plastifizieren solche Arten von Molekülen das thermoplastische Matrixmaterial nicht leicht. Beim Auswählen einer geeigneten chemischen Behandlung sollte beachtet werden, dass einige thermoplastischen Materialien von geringer Molekülmasse thermoplastische Matrixharze plastifizieren können, wenn die chemische Struktur des thermoplastischen Matrixharzes und des thermoplastischen Materials von geringer Molekülmasse sehr verschieden sind. Ein Beispiel für solche unterschiedlichen thermoplastischen Materialien ist Dibutylterephthalat als Teil der chemischen Behandlung und Polypropylen als das Matrixmaterial.
Wahlweise kann die chemische Behandlung ferner einen Kompatibilitätsverbesserer zum Verbessern der Interaktion und/der Reaktion zwischen der chemischen Behandlung und dem Matrixmaterial umfassen, wodurch sonst nicht kompatible oder weniger kompatible Polymerkomponenten oder -zutaten der Behandlung im Matrixmaterial kompatibler (z.B. mischbarer) werden. Wenn eine wärmehärtbare oder thermoplastische chemische Behandlung mit einem thermoplastischen Matrixmaterial verwendet wird, umfassen beispielhafte Kompatibilitätsverbesserer die PBT-Monomeräquivalente Di-n-Butylterephthalat und Dibenzoatester von 1,4-Butandiol; die PET-Monomeräquivalente Diethylterephthalat und Dibenzoatester von Ethylenglycol; und die Nylonmonomeräquivalente Caprolacton, das Addukt von Adipolychlorid und n-Aminohexan und das Addukt von 1,6-Hexandiamin und Hexanoylchlorid.
Wenn eine von beiden Arten von chemischer Behandlung mit einem wärmehärtbaren Matrixmaterial verwendet wird, ist es vorzuziehen, einen reaktionsfähigeren Kompatibilitätsver besserer zu verwenden. Zum Beispiel sind für einen wärmehärtbaren Polyester- oder Vinylesterkunststoff glycidylmethacrylatendgekappte zweiwertige Säuren und Ester des Trimellithanhydridsystems ein geeigneter Kompatibilitätsverbesserer. Spezifische Beispiele für geeignete Kompatibilitätsverbesserer für wärmehärtbare Polyester- und Vinylesterkunststoffe umfassen Diallylphthalat (DAP, das im Handel erhältlich ist), glycidylmethacrylatgekappte Isophthalsäure, Trimellithanhydriddodecinat, das Bis-Allylalkoholaddukt von Terephthalsäure und CH₃CH₂(OCH₂CH₂)N(CH₂)mCO₂H, wobei n eine ganze Zahl von 3 bis 7 und m 16 ist (z.B. CBA-60, das von der Witco Chemical in Chicago, Illinois, erhältlich ist). Für epoxidbasierte wärmehärtbare Kunststoffe können Ester, die auf Glycidol basieren, geeignete Kompatibilitätsverbesserer sein, wie beispielsweise Glycidylmethacrylat selbst, Diglycidylester von Adipinsäure und Triglycidylisocyanurat (TGIC).
Die chemische Behandlung kann auch einen oder mehr Verarbeitungshilfsstoffe umfassen, um die Verwendung der chemischen Behandlung an irgendeinem Punkt während des Herstellungsprozesses zu erleichtern und/oder die Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffgegenstands zu optimieren. Für eine wärmehärtbare chemische Behandlung kann der Verarbeitungshilfsstoff z.B. ein Viskositätssenkungsmittel zum Senken der Viskosität der wärmehärtbaren chemischen Behandlung, bevor sie auf die Fasern aufgetragen wird, umfassen. Das Viskositätssenkungsmittel ist im Wesentlichen lösemittelfrei und fördert vorzugsweise das Aushärten eines wärmehärtbaren Filmbildners. Die Verarbeitungshilfsstoffe, die in der wärmehärtbaren chemischen Behandlung verwendet werden, können z.B. Styrol und Peroxid umfassen. Styrole werden vorzugsweise verwendet, um den Filmbildner zu verdünnen und an der Reaktion von wärmehärtbaren Kunststoffen teilzunehmen. Peroxide fungieren vorzugsweise als ein Katalysator oder Härtungsmittel.
Wahlweise können auch nichtwässrige Versionen von anderen Arten von Zusatzstoffen, die normalerweise verwendet werden, um Glasfasern zu schlichten, als Verarbeitungshilfsstoffe in den vorliegenden chemischen Behandlungen eingesetzt werden. Zum Beispiel können Verarbeitungshilfsstoffe oder Zusatzstoffe eingesetzt werden, um zu helfen, die Gleitfähigkeit des Glastowgarns oder -strangs zu steuern, das relative Maß von erzeugter Statik zu steuern, oder die Bearbeitbarkeit des Glasstrang- oder Glastowgarnprodukts zu steuern. Die Gleitfähigkeit kann durch Beigeben von Verarbeitungshilfsstoffen oder Gleitmitteln, zum Beispiel einer Polyethylenglycolesteremulsion in Mineralöl (z.B. Emerlube 7440, das von der Henkel Textile Technologies in Charlotte, North Carolina erhältlich ist); von Polyethylenglycolen, z.B. PEG-400-MO (Polyethylenglycolmonooleat) und PEG-400-Monoisostearat (von der Henkel Corporation erhältlich), und Butoxyethylstearat (BES), modifiziert werden. Diese Gleitmittel dienen dazu, die Lauffähigkeit des Glases zu verbessern, indem sie als Schmiermittel fungieren, und, wenn sie vernünftig verwendet werden, sollten sie nur eine geringe – wenn überhaupt eine – negative Wirkung auf die Eigenschaften des fertigen Verbundwerkstoffgegenstands haben. Die Statikerzeugung kann durch Beigeben von Verarbeitungshilfsstoffen, wie beispielsweise Polyethyleniminen, zum Beispiel Emery 6760-O und Emery 6760-U (von der Henkel Corporation erhältlich), gesteuert werden. Die Bearbeitbarkeit kann mit Verarbeitungshilfsstoffen, wie beispielsweise Polyvinylpyrrolidon (z.B. PVP K90, das von der GAF Corporation in Wayne, New Jersey, erhältlich ist), das eine gute Integrität und Kohäsionsfähigkeit des Strangs liefern kann, und Benetzungsmitteln oder oberflächenaktiven Stoffen, wie beispielsweise Pluronic L101 und Pluronic P105 (beide von der BASF Corporation erhältlich), welche die Fähigkeit des Matrixmaterials verbessern können, die Fasern zu benetzen, verbessert werden. Jegliche Zutat, die vorhanden ist, hat jedoch eine Formulierung und wird in einer derartigen Menge beigegeben, dass die chemische Behandlung lösemittelfrei bleibt.
Bevorzugte Ausführungsformen von Verfahren und Vorrichtungen zum Auftragen von chemischen Behandlungen werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. 1 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Vorrichtung 20 zum Auftragen einer chemischen Behandlung auf Fasern 10, welche bei der Herstellung eines Verbundwerkstoffgegenstands verwendet werden, und sie umfasst einen Faserbildungsmechanismus 22, wie beispielsweise eine herkömmliche Glasfaserbildungsziehdüse 24, welche funktionsmäßig zum Endlosformen einer Mehrzahl von Verstärkungsglasfasern 12 von einer Quelle von geschmolzenem Glasmaterial in einer Schmelzvorrichtung über der Ziehdüse 24 gemäß einer allgemein bekannten Technik ausgelegt ist. In diesem beispielhaften Prozess geben die Verstärkungsglasfasern 12 eine Zeit lang Wärmeenergie ab, nachdem sie gebildet wurden. Ein oder mehr Auftraggeräte 26, wie beispielsweise ein Standardauftraggerät 26 mit einer oder zwei Walzen, und eine Schale 30 können verwendet werden, um eine der zuvor beschriebenen beispielhaften chemischen Behandlungen auf die Verstärkungsfasern 12 aufzutragen, um eine Mehrzahl von beschichteten Fasern 32 zu bilden. Damit der Prozess weiterläuft, nachdem die chemische Behandlung aufgetragen ist, d.h. ohne dass eine bedeutsame Anzahl von Fasern 10 bricht, wird die Viskosität der chemischen Behandlung so ausgelegt, dass sie niedrig genug ist, bevor sie aufgetragen wird, oder ein ausreichendes Maß abfällt, nachdem sie aufgetragen wurde, wie zuvor erörtert.
Im Folgenden werden zwei alternative Prozesse zum Auftragen einer chemischen Behandlung auf neu gebildete Glasfasern 12 beschrieben. Der beispielhafte Prozess 1 wird verwendet, wenn die Viskosität der chemischen Behandlung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen verhältnismäßig niedrig ist (z.B. eine Viskosität von 150 cps bei Temperaturen von 66°C (150°F) oder darunter). Der beispielhafte Prozess 2 wird bei chemischen Behandlungen mit höherer Viskosität eingesetzt. Chemische Behandlungen, welche einen der Filmbildner von den zuvor beschriebenen Beispielen 1 bis 4(K) und 6 umfassen, können in Prozess 1 verwendet werden. Chemische Behandlungen, welche einen der Filmbildner von Beispiel 5, 7 und 8 umfassen, kann bei Prozess 2 verwendet werden. Jede chemische Behandlung, die in Prozess 1 verwendet wird, kann auch in Prozess 2 verwendet werden. Jede chemische Behandlung, die in Prozess 1 oder in Prozess 2 verwendet werden kann, kann auch in Prozess 3 verwendet werden, der ein anderes beispielhaftes System ist.
Prozess 1:
Dieser Prozess zum Auftragen einer chemischen Behandlung setzt eine herkömmliche Verstärkungsglasfaserbildungsgerätschaft ein, die im Bereich um das Auftraggerät 26 modifiziert ist, derart dass die Position des Auftraggeräts 26 in einer Ebene senkrecht zum Strom der Glasfasern 12 (d.h. zum Fluss der Fasern 10), sowie der Ebene, welche die Fasern 10 enthält, verstellbar ist. Das Auftraggerät 26 ist mittels eines Auslegerarms an einem Räderkarren befestigt. Der Karren fährt auf Schienen, derart dass er entlang der Achse senkrecht zur Flussrichtung der Fasern problemlos positioniert werden kann. Das obere Ende des Karrens ist durch einen Scherenheber und eine Schneckengetriebeanordnung mit dem Hauptkörper des Karrens verbunden. Dies ermöglicht es dem Auftraggerät 26, in Bezug auf die Ziehdüse 24 gehoben oder gesenkt zu werden. Die Position des Auftraggeräts 26 kann entlang beider Achsen verstellt werden, während der Prozess in Gang ist. Die chemische Behandlung wird in einem Metallkübel, wie beispielsweise einem 19-l- oder 5-gal-Eimer, gelagert.
Das Erwärmen der chemischen Behandlung ist optional. Um die chemische Behandlung zu erwärmen, kann der Eimer auf einer Heizplatte angeordnet und/oder mit einem Eimererhitzer umwickelt werden, wie beispielsweise einem Model 5, das von der OHMTEMP Corporation in Garden City, Michigan, erhältlich ist. Die Temperatur der chemischen Behandlung wird mittels einer verstellbaren thermoelementbasierten WS-Heizsteuereinheit, wie beispielsweise jenen, welche von wissenschaftlichen Großlieferanten, wie beispielsweise Fisher Scientific oder VWR Scientific, erhältlich sind, auf dem gewünschten Niveau gehalten. Die chemische Behandlung wird mittels einer peristaltischen Pumpe, wie beispielsweise einer Masterflex Modell #7529-8, die mit einer Masterflex-Pumpensteuereinheit Modell #7549-50 und einem Masterflex-Schlauchteil Modell #6402-73 ausgestattet ist, wobei alle von der Barnant Company (einer Abteilung von Cole-Parmer in Barrington, Illinois) erhältlich sind, zur und von der Auftragschale 30 gepumpt. Das Auftraggerät 26 weist eine Standardkonstruktion für einen Glasfaserbildungsprozess auf und besteht aus einer Metallschale 30, welche eine einzelne Grafitwalze 28 trägt, die einen Durchmesser von 7,6 cm (3,0 Zoll) aufweist und von einem elektrischen Motor mit Geschwindigkeiten, die von 0,9 bis 6,1 m (3 bis 20 Fuß) je Minute reichen, angetrieben wird. Eine alternative Pumpe kann verwendet werden, um die peristaltische Pumpe zu ersetzen, wie beispielsweise eine Zenith-Pumpe Modell #60-20000-0939-4, die von der Parker Hannifin Corporation, Zenith Pump Division, Sanford, NC, erhältlich ist. Diese alternative Pumpe ist eine Getriebepumpe, die mit einer geheizten Zulauf- und Rücklaufschlaucheinheit ausgestattet ist und im Allgemeinen die folgenden Merkmale aufweist: Teflon-Auskleidung, Hochdruck, Innendurchmesser 0,564 cm (0,222'') × 183 cm (72'') lang, Burst 83 MPa (12.000 psi), Betriebsdruck 21 MPa (3.000 psi), Edelstahl, JIC Abzweigstücke mit 7/16–20 Muttergewinde, 120 Volt, 300 Watt, 100 Ohm Platin RTD, 183 cm (72'') langes Kabel mit Stecker Amphenol #3106A-14S-06P, erhältlich von The Conrad Company, Inc., in Columbus, Ohio (die geheizte Schlaucheinheit ist ein Unterschied zwischen den beiden alternativen Pumpensystemen (peristaltische gegenüber Getriebepumpe)).
Prozess 2:
In einem anderen beispielhaften Prozess wird ein Auftraggerät mit zwei Walzen zum Auftragen von hochviskosen chemischen Behandlungen erhöhter Temperatur in nichtwässriger Form verwendet. Das Auftraggerät mit zwei Walzen ist in Position in Bezug auf die Glasbildungsvorrichtung befestigt. Die Position des Auftraggeräts mit zwei Walzen ist im Wesentlichen dieselbe wie jene, die in einem Standardglasfaserbildungsprozess vorzufinden ist, und ist ungefähr 127 cm (50 Zoll) von der Ziehdüse entfernt. Das Heizsystem und das Pumpsystem, welche für die chemische Behandlung in diesem Prozess verwendet werden, sind dieselben wie jene, die zuvor für Prozess 1 beschrieben wurden.
Das Auftraggerät mit zwei Walzen umfasst eine sekundäre Auftragwalze, welche die größere der beiden Walzen ist, zum Übertragen und Zumessen der chemischen Behandlung auf die kleinere, primäre Auftragwalze. Die primäre Walze wird verwendet, um die chemische Behandlung direkt auf die Fasern aufzutragen. Der verhältnismäßig kleine Durchmesser der primären Walze verringert den Reibungswiderstand zwischen der Walze und den Fasern durch Bereitstellen einer geringeren Kontaktfläche dazwischen. Die Spannung der Fasern wird durch die Verringerung des Reibungswiderstands ebenfalls verringert. Die Dicke der aufgetragenen chemischen Behandlung kann durch Regulieren des Zwischenraums zwischen der primären und der sekundären Walze und durch Bereitstellen eines Streichmessers auf der kleineren Walze zugemessen werden. Solch ein Auftraggerät mit zwei Walzen wird im US-Patent Nr. 3,817,728 to Petersen und im US-Patent Nr. 3,506,419 to Smith et al. offenbart.
Prozess 3:
In dieser bevorzugten Ausführungsform werden das Auftraggerät mit zwei Walzen von Prozess 2 und die positionelle Einstellmöglichkeit von Prozess 1 zusammen verwendet, gemeinsam mit dem zuvor beschriebenen Heiz- und Pumpsystem für die chemische Behandlung. Die beschichteten Fasern 32 werden unter Verwendung eines Zusammenlegemechanismus 34, wie beispielsweise eines herkömmlichen Zusammenlegeschuhs, zu einem Strang 14 zusammengelegt. Ein Zugmechanismus 36, wie beispielsweise ein herkömmliches Paar von gegenüberliegenden Zugrädern, wird verwendet, um die Fasern 12 von der Ziehdüse 24 auf eine Art und Weise, die auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist, endlos zu ziehen. Der Strang 14 kann auf einen Wickelkörper (nicht dargestellt) gewickelt oder in Segmente einer gewünschten Länge zerhackt und zur anschließenden Off-line-Verarbeitung zu einem Verbundwerkstoffgegenstand gelagert werden. Alternativerweise kann der Verbundwerkstoffstrang 14 direkt in-line mit dem Zusammenlegeschritt zu einem Verbundwerkstoffgegenstand verarbeitet werden.
Zusätzlich zu den endlos geformten Verstärkungsfasern 12 können die Fasern 10 ferner eine Mehrzahl von Matrixfasern 13, die aus einem geeigneten Material hergestellt sind, umfassen. Wenn Matrixfasern 13 verwendet werden, kann der Schritt des Auftragens der chemischen Behandlung das Schlichten und/oder Vorimprägnieren der Matrixfasern 13 mit derselben oder einer anderen chemischen Behandlung als jener, die auf die Verstärkungsfasern 12 aufgetragen wird, umfassen. Wenn verschiedene Arten von Matrixfasern 13 verwendet werden, ist es möglicherweise vorzuziehen, dass eine unterschiedliche chemische Behandlung auf jede Art von Matrixfaser 13 aufgetragen wird. Gleichermaßen ist es, wenn verschiedene Arten von Verstärkungsfasern 12 verwendet werden, möglicherweise vorzuziehen, dass eine unterschiedliche chemische Behandlung auf jede Art von Verstärkungsfaser 12 aufgetragen wird. Es können dieselben Techniken und Geräte verwendet werden, um jede Art von Verstärkungsfaser und Matrixfaser chemisch zu behandeln, einerlei ob sie endlos geformt oder vorgeformt sind.
Beispiele für chemische Behandlungen
Im Folgenden werden Beispiele für chemische Behandlungen zum Auftragen auf Verstärkungsglasfasern und verschiedene Matrixfasern bereitgestellt, die zur Verwendung mit PBT-, Nylon- und Polypropylenmatrixharzen geeignet sind. Die verschiedenen Matrixfasern werden aus demselben Material wie das entsprechende Matrixharz hergestellt. Die Bezeichnungen „HEAT" (Wärme) und „NO HEAT" (keine Wärme) zeigen an, dass die aufgelisteten chemischen Behandlungen jeweils bis zu einem bedeutsamen Grad erwärmt werden oder nicht, nachdem sie auf ihre entsprechenden Fasern aufgetragen wurden. Die folgenden chemischen Behandlungen für Verstärkungsfasern mit NO HEAT" können auch auf Matrixfasern verwendet werden, die aus dem entsprechenden Matrixharz hergestellt sind. Wenn endlos geformte Glasfasern das Auftraggerät an einer herkömmlichen Stelle (z.B. wenn das Auftraggerät in einem bedeutsamen Abstand von der Quelle von geschmolzenem Glas entfernt ist) erreichen, geben die Glasfasern noch immer etwas Restwärme ab. In diesem Abstand von der Ziehdüse ist jedoch die Menge von Wärme, die von den Fasern abgegeben wird, möglicherweise nicht genug, um auf einige der aufgetragenen chemischen Behandlungen eine bedeutsame Wirkung zu haben. Die Bezeichnung „NO HEAT" bezieht daher eine derartige Situation ein.
Beispiel A
Verbundmatrixharz: PBT.
Formulierung für Verstärkungsfasern:

(1) Für HEAT: 83% HELOXY Modifier 67, 10% EPON SU-2.5, 5% Maleinsäureanhydrid und 2% A-1100;
(2) Für NO HEAT: 95% HELOXY Modifier 67, 3% HELOXY Modifier 505 und 2% A-1100.

Formulierung für Matrixfasern:

(1) Für HEAT: 83% HELOXY Modifier 67, 10% EPON 160 und 7% DICY;
(2) Für NO HEAT: 83% HELOXY Modifier 67, 10% HELOXY Modifier 62 und 7% TGIC.

Beispiel B
Verbundmatrixharz: Nylon.
Formulierung für Verstärkungsfasern:

(1) Für HEAT: 44,5% PG-Fuamarat mit endständigen Hydroxygruppen, 44,5% TONE 0260, 5% DESMODUR N-100, 5% BES und 1% A-1100;
(2) Für NO HEAT: (a) 47% propoxyliertes Bis-A-Maleat, 47% TONE 0260, 5% BES und 1% A-1100; oder (b) 99% Allylpropoxylaturethan und 1% A-1100.

Formulierung für Matrixfasern:

(1) Für HEAT: (a) 90% Allylpropoxylaturethan und 10% Carbamoylcarbonsäure; oder (b) 90% Allylpropoxylaturethan, 5% PG-Fumarat (mit endständiger Hydroxygruppe) und 5% DESMODUR N-100;
(2) Für NO HEAT: 47,5% propoxyliertes Bis-A-Maleat, 47,5% TONE 0260 und 5% BES.

Beispiel C
Verbundmatrixharz: Polypropylen.
Formulierung für Verstärkungsfasern:

(1) Für HEAT: (a) 68% PG-Fumarat, 20% propoxylierter Allylalkohol, 5% Maleinsäureanhydrid, 5% TBPB und 2% A-1100; oder (b) 83% PG-Fumarat (mit endständiger Hydroxygruppe), 5% DESMODUR N-100, 5% Maleinsäureanhydrid, 5% TBPB und 2% A-1100 oder A-174;
(2) Für NO HEAT: (a) 88% Allylpropoxylaturethan, 10% EPON 8121 und 2% A-1100; oder (b) 90% Allylpropoxylaturethan, 5% Diallylphthalat, 2% Maleinsäureanhydrid, 2% BPO und 1% A-1100.

Formulierung für Matrixfasern:

(1) Für HEAT: 91% Allylpropoxylaturethan, 5% Diallylphthalat, 2% Maleinsäureanhydrid und 2% TBPB;
(2) Für NO HEAT: (a) 90% Allylpropoxylaturethan und 10% EPON 8121; oder (b) 91% Allylpropoxylaturethan, 5% Diallylphthalat, 2% Maleinsäureanhydrid und 2% BPO.

Die Abkürzung DICY steht für Dicyandiimid, das ein aminbasiertes Hochtemperaturhaftmittel für Epoxidharze ist. Sowohl das DICY-Haftmittel als auch das reaktionsfähige Modifikationsmittel Diallylphthalat (zum Herabsetzen der Viskosität) sind von der Aldrich Chemical Company erhältlich. DESMODUR N-100 ist ein Polyisocyanat, das von der Witco Chemical Company erhältlich ist. Das PG-Fumarat, das propoxylierte Bis-A-Maleat (propoxylierte Bisphenol-A-Maleat), das Allylpropoxylaturethan, der propoxylierte Allylalkohol und die Carbamoylcarbonsäure (d.h. n-Butyl carbamoylcarbonsäure) können alle hergestellt werden, wie zuvor beschrieben. BES stellt ein Butoxyethylstearat dar, das in den zuvor dargelegten chemischen Behandlungen ganz oder teilweise durch Verbindungen, wie beispielsweise das Addukt von Adipolychlorid und n-Aminohexan oder das Addukt von 1,6-Diaminohexan und Hexanoylchlorid, Caprolactan (von der Aldrich Chemical Co. erhältlich) und Carbamoylcarbonsäuren, wie beispielsweise die n-Butylcarbamoylcarbonsäure, ersetzt werden kann, und diese alternativen Verbindungen können andere Funktionen zusätzlich zu jenen, die durch das BES bereitgestellt werden, ausführen. TBPB und BPO sind die Peroxide t-Butylperoxybenzoat beziehungsweise Benzoylperoxid, und sie sind von der Akzo-Nobel Chemical Company in Chicago, Illinois, erhältlich. Das EPON 8121 ist ein Bisphenol-A-Epoxidharz, das von der Shell Chemical Company erhältlich ist.
Die chemische Behandlung aus 99% Allylpropoxylaturethan und 1% A-1100 wurden auf Glasfasern aufgetragen, die beschichteten Fasern wurden zu einem Verbundwerkstoffstrang geformt, der Verbundwerkstoffstrang wurde mit einem Mantel aus thermoplastischem Nylonmatrixmaterial drahtbeschichtet oder ummantelt, der ummantelte Verbundwerkstoffstrang wurde in Pellets zerhackt, und die Pellets wurden zu Verbundwerkstoffprüflingen spritzgegossen. Die ummantelten Verbundwerkstoffpellets wurden unter Verwendung des erfinderischen Drahtbeschichtungsprozesses, der im Folgenden näher beschrieben wird, gebildet. Die Glasfasern in diesen Verbundwerkstoffprüflingen wurden im Matrixmaterial nicht vollständig dispergiert. Dieser Mangel an vollständiger Dispersion der Glasfasern von einzelnen Strängen im fertigen Verbundwerkstoffgegenstand zeigt an, dass wenigstens ein Teil der chemischen Behandlung an irgendeinem Punkt während des Herstellungsprozesses genug reagierte, um zu verhindern, dass die Fasern sich während des Formens des Verbundwerkstoffgegenstands trennten und in das geschmolzene Matrixmaterial dispergierten (d.h. um die Strangkohäsion aufrechtzuerhalten). Um seine Reaktionsfähigkeit zu verringern (d.h. die Faserkohäsion in jedem Verbundwerkstoffstrang während des Prozesses zum Formen des Verbundwerkstoffgegenstands zu verringern) und dadurch mehr Dispersion der Verstärkungsfasern im Matrixmaterial zu erreichen, kann das Allylpropoxylaturethan mit einem anderen Filmbildner verdünnt werden – z.B. kann für ein Nylonsystem TONE 0260 (ein Polycaprolacton, das von der Union Carbide Corp. erhältlich ist) verwendet werden.
Es folgen weitere Beispiele von wärmehärtbaren und thermoplastischen chemischen Behandlungen.
Nylonbasierte chemische Behandlung:
Eine besonders bevorzugte nylonbasierte thermoplastische chemische Behandlung wurde durch Ablegen von etwa 9 kg eines Polycaprolactons, genauer gesagt TONE 0260 (von der Union Carbide Corporation erhältlich), und etwa 9 kg eines Polyesteralkyds, genauer gesagt eines propoxylierten Bisphenol-A-Maleats, in getrennten 19-Liter- oder 5-Gallonen-Metallkanistern hergestellt. Nach dem vollständigem Schmelzen und Verflüssigen dieser beiden Materialien wurden sie in einem geheizten 19-l- oder 5-gal-Kanister vereint und umgerührt, bis die Mischung homogen wurde. Die Temperatur wurde bei konstantem Umrühren auf oder über 93°C (200°F) gehalten, bis eine vollständige Durchmischung erreicht war (etwa 30 Minuten). Die Erwärmung wurde dann unterbrochen, und die Mischung wurde auf 88°C (190°F) abkühlen gelassen. Während die Temperatur auf 88°C (190°F) gehalten wurde, wurden der Mischung bei konstantem Umrühren etwa 360 g des Aminosilanhaftmittels A-1100 (Gamma-Aminopropyltriethoxysilan) beigegeben. Die resultierende chemische Behandlung enthielt, bezogen auf das Gewicht, 49 bis 49,5% TONE 0260, 49 bis 49,5% propoxyliertes Bisphenol-A-Maleat und 1 bis 2% A-1100. Diese chemische Behandlung war bei etwa 25°C fest und wies bei 75°C eine Viskosität von 660 cps, bei 100°C von 260 cps, bei 125°C von 120 cps und bei 150°C von 60 cps auf.
Die chemische Behandlung wurde dann mit ihrem Behälter zu einem Eimererhitzer, der in dem zuvor dargelegten Prozess 2 beschrieben wurde, überführt und zu einem geeigneten Auftraggerät gepumpt. Die Glasfasern 12 wurden ausgezogen und mit der Auftragwalze 28 in Kontakt kommen gelassen. Die chemische Behandlung wurde dann bei einer Temperatur von etwa 110°C auf die Glasfasern 12 übertragen. Die Fasern 12 wurden an einem herkömmlichen Schuh 34 zusammengelegt und auf eine Hülse gewickelt, wodurch ein kantiger Wickelkörper gebildet wurde, und abkühlen gelassen.
Der resultierende Wickelkörper ist stabil und auslieferbar, und der Roving läuft gut aus. Der resultierende Verbundwerkstoffstrang 14 kann drahtbeschichtet und für eine eventuelle Verwendung in Spritzgießanwendungen zu Pellets zerhackt werden.
PTB-basierte chemische Behandlung
Eine besonders bevorzugte PBT-basierte thermoplastische chemische Behandlung wurde durch Ablegen von 17,28 kg Diglycidylether von 1,4-Butandiol (HELOXY 67) in einem 19-l- oder 5-gal-Metallkanister hergestellt. Dem wurden 540 g Polyglycidylether von Castoröl (HELOXY 505) beigegeben. Dieser Mischung wurden 180 g A-1100 (Gamma-Aminopropyltriethoxysilan) als ein Haftmittel beigegeben. Die resultierende chemische Behandlung wurde umgerührt, bis sie homogen wurde. Dann wurde sie mit ihrem Behälter zu einem Eimererhitzer, wie beispielsweise dem von Prozess 1, überführt (obwohl es nicht notwendig ist, diese chemische Behandlung zu erwärmen, um sie zu verarbeiten). Zum Auftragen dieser Behandlung wird das Auftraggerät 26 auf bis zu 20,32 bis 25,4 cm (8 bis 10 Zoll) von der Ziehdüse 24 angehoben.
Polyester- oder vinylesterbasierte chemische Behandlung
Eine besonders bevorzugte polyester- oder vinylesterbasierte wärmehärtbare chemische Behandlung wird durch Ablegen von 6,75 kg DER 337 Epoxid (ein Bisphenol-A-Epoxidharz, das von der Dow Chemical Company erhältlich ist) in einem 19-l- oder 5-gal-Metallkanister hergestellt. Dieses Material wurde auf 104°C (220°F) erwärmt und umgerührt, bis sämtliche Feststoffe vollständig verflüssigt waren. Dieser Flüssigkeit wurden 6,75 kg Araldite GT7013 Epoxid (ein Bisphenol-A-Epoxidharz, das von der Ciba-Geigy Corporation erhältlich ist) beigegeben. Das Araldite wird bei erheblichem Schütteln über einen Zeitraum von zwei Stunden langsam beigegeben. Nach der vollständigen Auflösung des Araldite-Epoxids wurde die Mischung in Luft auf 93°C (200°F) abkühlen gelassen, und 0,76 kg Pluronic L101 (ein Ethylenoxid/Propylenoxid-Copolymersurfactant, der von BASF erhältlich ist) und 2,21 kg Pluronic P105 (ein Ethylenoxid/Propylenoxid-Copolymersurfactant, der ebenfalls von BASF erhältlich ist) werden beigegeben. Zu diesem Zeitpunkt werden auch 1 kg PEG 400 MO (Polyethylenglycolmonooleat, das von der Henkel Corporation erhältlich ist) und 0,5 kg Butoxyethylstearat (BES) (von der Stepan Company in Northfield, Illinois, erhältlich) beigegeben. Die Mischung wird bei fortdauerndem Umrühren auf eine Temperatur von 71 bis 77°C (160 bis 170°F) weiter abkühlen gelassen, an welchem Punkt 2 kg A-174 (Gamma-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, das von der Witco Chemical Corporation erhältlich ist) beigegeben werden. Schließlich werden der Mischung bei Schütteln, um eine gute Dispersion zu ermöglichen, 20 g Uvitex OB (ein Fluoreszenzaufhellungsmittel, das von der Ciba-Geigy in Hawthorne, New York, erhältlich ist) beigegeben. Die resultierende chemische Behandlung enthält, bezogen auf das Gewicht, 33,78% DER 337 Epoxid, 33,78% Araldite GT7013 Epoxid, 3,79% Pluronic L101, 11,05% Pluronic P105, 5% PEG 400 MO, 2,5% BES, 0,01% Uvitex OB und 10% A-174. Die chemische Behandlung wird dann mit ihrem Behälter zu einem Eimererhitzer, wie in Prozess 2 beschrieben, überführt.
Epoxidbasierte chemische Behandlung:
Die Formulierung für dieses Beispiel einer wärmehärtbaren chemischen Behandlung ist so, wie zuvor für die polyester- und vinylesterbasierte wärmehärtbare chemische Behandlung beschrieben, mit der Ausnahme, dass A-187 (Gamma-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, das von der Witco Chemical Company erhältlich ist) anstelle von A-174 verwendet wird.
Polyester- und vinylesterbasierte chemische Behandlung mit zwei Silankomponenten:
Die Formulierung für dieses Beispiel einer wärmehärtbaren Behandlung, welche eine Multikompatibilität (Kompatibilität mit Polyester, Vinylester oder Epoxid) aufweist, ist so, wie für die zuvor beschriebene polyester- und vinylesterbasierte wärmehärtbare chemische Behandlung, mit der Ausnahme, dass das Silanhaftungssystem aus 1,25 kg (5 Gew.-%) A-187 und 1,25 kg (5 Gew.-%) A-174 anstelle von A-174 allein besteht.
In der bevorzugten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, werden Matrixfasern 13 vorgeformt und dann mit den Verstärkungsfasern 12 zusammengemischt, bevor sie zu einem Verbundwerkstoffstrang 14 zusammengelegt werden. Alternativerweise können die Matrixfasern 13 mit den Verstärkungsfasern 12 in-line endlos geformt werden. Die Matrixfasern 13 bilden schließlich einen Teil oder die Gesamtheit der Matrix eines resultierenden Verbundwerkstoffgegenstands. Die Fasern 10 können sowohl endlos geformte als auch vorgeformte Verstärkungsfasern 12 oder nur vorgeformte Verstärkungsfasern umfassen. Wenn vorgeformte Verstärkungsfasern 12 verwendet werden, können sie direkt zu einem Strang 14 verarbeitet werden, der nur die vorgeformten Verstärkungsfasern 12 enthält. Solche vorgeformten Verstärkungsfasern 12 können auch mit allen anderen Arten von Fasern auf dieselbe oder eine ähnliche Weise wie die vorgeformten Matrixfasern 13, die in 3 dargestellt sind, zusammengemischt werden. Obwohl nur zwei Spulen oder Wickelkörper von vorgeformten Fasern dargestellt sind, versteht es sich von selbst, dass jede geeignete Anzahl von Wickelkörpern von vorgeformten Fasern auf die veranschaulichte oder eine andere geeignete Art und Weise bereitgestellt werden kann.
Es kann dasselbe Auftraggerät 26 verwendet werden, um sowohl die vorgeformten Fasern (z.B. die vorgeformten Matrixfasern, die durch die Strichlinie 13' angezeigt sind) als auch die endlos geformten Fasern (z.B. die endlos geformten Fasern 12) chemisch zu behandeln, bevor die Fasern zu einem Strang 14 zusammengelegt werden. Alternativerweise kann ein getrenntes Auftraggerät 26' verwendet werden, um die vorgeformten Fasern (z.B. die vorgeformten Matrixfasern 13) chemisch zu behandeln. Wenn ein getrenntes Auftraggerät 26' verwendet wird, kann der Zusammenlegemechanismus 34 eine Stange oder Walze 39 umfassen, um zu helfen, die Fasern 12 und 13 zusammenzumischen, bevor sie zu einem Strang 14 zusammengelegt werden. Vorgeformte Fasern und endlos geformte Fasern können entweder zusammen unter Verwendung desselben Auftraggeräts oder getrennt unter Verwendung von verschiedenen Auftraggeräten, z.B. wie in der US-Patentanmeldung Seriennummer 08/527,602, die am 13. September 1995 eingereicht wurde und deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird, chemisch behandelt werden. Alternativerweise können einige der Fasern 10, z.B. die Matrixfasern 13, mit den beschichteten Fasern 32 zusammengelegt werden, ohne dass zuvor eine chemische Behandlung aufgetragen wird.
Die aufgetragene chemische Behandlung kann vor, während und/oder nach dem Schritt des Zusammenlegens der Fasern erwärmt werden. Wenn sie sich wie ein wärmehärtbarer Kunststoff verhält, kann die chemische Behandlung an irgendeinem Punkt während der Bildung des Verbundwerkstoffstrangs 14 teilweise oder ganz heiß gehärtet werden. Wie viel und wann eine aufgetragene wärmehärtbare chemische Behandlung heiß gehärtet wird, hängt von der Art des Verbundwerkstoffgegenstands ab, der aus dem Strang 14 hergestellt wird. Zum Beispiel kann ein Verbundwerkstoffstrang 14 mit einer vollständigen, teilweisen oder ohne Heißhärtung der aufgetragenen chemischen Behandlung in eine Mehrzahl von kurzen einzelnen Längen zerhackt werden, die zu einem Formverbundwerkstoff vermischt und zu einem Verbundwerkstoffgegenstand spritzgegossen werden.
Für zerhackte Längen von Strängen 14 wird eine aufgetragene chemische Behandlung genug – falls überhaupt – ausgehärtet, um zu gewährleisten, dass die kurzen Längen des Verbundwerkstoffstrangs 14 während der anschließenden Verarbeitung kohäsiv bleibt (d.h. die Fasern 10 zusammenbleiben). Wenn sie sich wie ein wärmehärtbarer Kunststoff verhält oder anderweitig heiß härtbar ist, wird die aufgetragene chemische Behandlung auf den beschichteten Fasern während des Bildens des Verbundwerkstoffstrangs 14 vorzugsweise nur teilweise ausgehärtet. Das Aushärten der aufgetragenen chemischen Behandlung wird vorzugsweise bei der anschließenden In-line- oder Off-line-Verarbeitung (z.B. Pultrusion, Filamentwickeln, Pressspritzen, Formpressen usw.) des Verbundwerkstoffstrangs 14 zu einem Verbundwerkstoffgegenstand vervollständigt. Eine wärmehärtbare chemische Behandlung bleibt bis zur Bildung des Verbundwerkstoffgegenstands vorzugsweise nur teilweise gehärtet, da dann, wenn sich die Molekülmasse der chemischen Behandlung während der Bildung des Verbundwerkstoffstrangs 14 der Unendlichkeit nähert (d.h. maximiert wird), der Strang 14 bei nachgelagerten Verbundwerkstoffbildungsanwendungen nicht mehr weiter verarbeitbar ist. Solch ein teilweises Aushärten kann durch Wählen von Zutaten erreicht werden, welche unter den Bedingungen, die während des Verbundwerkstoffstrangbildungsprozesses gegeben sind, nicht voll miteinander reagieren. Es kann auch durch derartiges wählen der relativen Mengen der reaktionsfähigen Zutaten der chemischen Behandlung erreicht werden, dass bis zur Bildung des Verbundwerkstoffgegenstands wenigstens einer der wärmehärtbaren Bestandteile in der chemischen Behandlung (z.B. Harz) nur teilweise zur Reaktion gebracht oder gehärtet bleibt (z.B. durch Steuern der Stöchiometrie der chemischen Behandlung). Eine beispielhafte chemische Behandlung mit wenigstens einem reaktionsfähigen Bestandteil, der während des Strangbildungsprozesses nur teilweise zur Reaktion gebracht oder gehärtet bleiben kann, umfasst etwa 85 Gew.-% PG-Fumarat, etwa 10 Gew.-% Styrol und etwa 5 Gew.-% t-Butylperoxybenzoat.
In den chemischen Behandlungen, die in den zuvor dargelegten Beispielen A bis C aufgelistet sind, sind mehrere reaktionsfähige Spezies vertreten. Obwohl es in den meisten Fällen vorzuziehen ist, dass am Ende des Strangbildungsprozesses einige nicht in Reaktion getretene chemische Spezies auf dem Strang 14 bleiben, ist in einigen Fällen, zum Beispiel bei den zuvor aufgelisteten chemischen Behandlungen, welche Isocyanate oder Carbamoylcarbonsäuren enthalten, möglicherweise vorzuziehen, dass die chemischen Spezies voll zur Reaktion gebracht werden, wenn in Strangform. Bei den Isocyanaten werden, wenn ein Diol in einer ausreichenden Menge (z.B. etwa 20 Mal die Anzahl von Isocyanatgruppen) gegenwärtig ist und wenn die chemische Behandlung bei einer genügend hohen Faseroberflächentemperatur aufgetragen wird, die Isocyanatgruppen im Verbundwerkstoffstrang 14 voll zur Reaktion gebracht. Gleichermaßen wird, wenn die Reaktionsbedingungen richtig sind (z.B. hohe Temperatur und verhältnismäßig niedrige Konzentration), die Carbamoylcarbonsäure in einer che mischen Behandlung wahrscheinlich vollständig in Imid umgewandelt.
Es kann eine chemische Behandlung hergestellt werden, welche etwa 45 Gew.-% PG-Fumarat, etwa 50 Gew.-% Styrol und etwa 5 Gew.-% t-Butylperoxybenzoat umfasst. Dies stellt eine Polyesterharzformulierung dar, welche unter Verwendung von Auftraggerätschaften, wie zuvor in Prozess 1 bis 3 beschrieben, auf Glasfasern aufgetragen werden kann und welche nach der Zuführung von Wärme, die von neu gebildeten Glasfasern abgegeben wird, zu einer harten Masse aushärten kann. Durch Entfernen von etwa 90% des Styrols kann diese chemische Polyesterharzbehandlung nur teilweise aushärtbar gemacht werden, wenn sie auf die Fasern aufgetragen wird. Es kann eine zusätzlich chemische Behandlung hergestellt werden, welche etwa 35 Gew.-% Epoxidharz Epon 828, das von der Shell Chemical Company erhältlich ist, etwa 35 Gew.-% des reaktionsfähigen Epoxidmodifikationsmittels HELOXY 505, etwa 28 Gew.-% Maleinsäureanhydrid und etwa 2 Gew.-% A-1100 umfasst. Diese Epoxidharzformulierung kann unter Verwendung jeder der zuvor beschriebenen Auftraggerätschaften auf Glasfasern aufgetragen werden und härtet bei Zuführung von Wärme, die von neu gebildeten Glasfasern abgegeben wird, zu einer harten Masse aus. Durch Entfernen von etwa 90% des gesamten Maleinsäureanhydrids kann diese chemische Epoxidharzbehandlung nur teilweise aushärtbar gemacht werden, wenn sie auf die Fasern aufgetragen wird.
Es wurde beobachtet, dass durch Anheben des Auftraggeräts 26 in eine Position näher zur Wärme, die vom geschmolzenen Glas (z.B. Ziehdüse 24) abgegeben wird, die Viskosität einer thermoplastischen chemischen Behandlung auf der Oberfläche der Auftragwalze 28 (d.h. wo die Walze 28 mit den Glasfasern 10 in Kontakt kommt), sowie die auf der Oberfläche der Glasfasern 12 abfällt. Eine wärmehärtbare chemische Behandlung, welche sich auf dieser Stufe des Prozesses wie ein thermoplastischer Kunststoff verhält, erfährt ebenfalls solch eine Herabsetzung ihrer Viskosität. Es wurden Gradienten in der Viskosität der chemischen Behandlung entlang der Oberfläche der Auftragwalze 28 beobachtet. Es stellte sich heraus, dass die Viskosität hinter dem Fächer der Glasfasern 10 am niedrigsten ist und zu jedem Ende der Walze 28 hin zuzunehmen scheint.
Für die Ausführungsform der Vorrichtung 20 in 1 ist das Auftraggerät 26 benachbart oder anderweitig nahe genug zur Ziehdüse 24 positioniert, damit die chemische Behandlung aufgetragen wird, wenn die Fasern 12 auf einer ausreichend hohen Temperatur sind (d.h. die Fasern 12 genügend Wärmeenergie abgeben), um den gewünschten Abfall der Viskosität und/oder den gewünschten Grad von Heißhärtung durch Vernetzen oder anderweitiges Erhöhen der Molekülmasse der aufgetragenen chemischen Behandlung zu bewirken. Gleichzeitig ist das Auftraggerät 26 vorzugsweise von der Ziehdüse 24 weit genug entfernt positioniert, derart dass die chemische Behandlung aufgetragen wird, während die Fasern 12 auf einer Temperatur sind, welche der chemischen Behandlung keinen bedeutsamen Schaden zufügt (z.B. Abbau irgendwelcher organischer Chemikalien oder Verbindungen). Auf diese Weise kann der resultierende Strang 14 mit den Eigenschaften bereitgestellt werden, die für die anschließende Verarbeitung zu einem Verbundwerkstoffgegenstand gewünscht werden.
Beispielhafte Fasertemperaturen zum Auftragen der chemischen Behandlungen sind Temperaturen von bis zu etwa 350°C (662°F), wobei es möglich ist, einige Behandlungen bei noch höheren Temperaturen aufzutragen, ohne auf bedeutsame Weise abgebaut oder anderweitig beschädigt zu werden. Es können auch so niedrige Fasertemperaturen wie etwa 150°C (302°F) oder sogar darunter verwenden werden. Um die aufgetragene chemische Behandlung zu schützen und zu bewirken, dass wenigstens eine der zuvor erwähnten gewünschten Änderungen in der chemischen Behandlung eintritt, weisen die Fasern 12 vorzugsweise eine Temperatur von etwa 200°C (392°F) bis etwa 300°C (572°F) auf. Zufrieden stellende Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Viskosität der chemischen Behandlung jeder Art bei einer Temperatur von etwa 200°C bis etwa 300°C auf etwa 200 cps bis etwa 400 cps abfällt.
Für Verstärkungsglasfasern 12, die aus einer herkömmlichen Ziehdüse 24 mit normalem Durchsatz gezogen werden, wird das Auftraggerät 26 vorzugsweise so angeordnet, dass die chemische Behandlung mindestens etwa wenigstens 7,62 cm (3 Zoll) und normalerweise etwa 15,24 cm (6 Zoll) oder mehr von der Ziehdüse 24 entfernt (d.h. von wo die Fasern 12 aus der Ziehdüse austreten) auf die Glasfasern 12 aufgetragen wird. Die chemische Behandlung kann in einer Entfernung von etwa 20,32 cm bis etwa 25,4 cm (8 Zoll bis etwa 10 Zoll) von der Ziehdüse 24 auf die Verstärkungsglasfasern 12 aufgetragen werden. Die exakte Position des Auftraggeräts 26 in Bezug auf die Ziehdüse 24 hängt zum Beispiel von der Art der Ziehdüse 24, die verwendet wird (z.B. der Anzahl von Fasern, die aus der Ziehdüse gezogen wird), der Temperatur des geschmolzenen Glasmaterials, der Art von chemischer Behandlung, die aufgetragen wird, den gewünschten Eigenschaften der Zwischenphasenregion um die Verstärkungsfasern 12 und den Eigenschaften, die für den resultierenden Strang 14 und schließlich für den Verbundwerkstoffgegenstand gewünscht werden, ab.
Unter Bezugnahme auf die alternative Ausführungsform, die in 2 veranschaulicht ist, umfasst die Vorrichtung 38 die Komponenten der zuvor beschriebenen Vorrichtung 20 und einen Wärmespeicher 40. Demgemäß wurden die Komponenten der Vorrichtung 38, welche gleich oder ähnlich wie die von Vorrichtung 20 sind, mit denselben Bezugszeichen benannt. Der Wärmespeicher 40 wird teilweise oder vollständig wenigstens um die Fasern 12 angeordnet, und er ist so ausgelegt, dass er die Wärmeenergie, die von der Oberfläche der Fasern 12 abgegeben wird, unter Verwendung von herkömmlichen Techniken für einen längeren Zeitraum und eine weitere Entfernung vom Faserbildungsmechanismus 22 aufrechterhält. Zufrieden stellende Ergebnisse wurden bei einer Glasfaserziehdüse 24 mit niedrigem Durchsatz erzielt, welche einen beispielhaften Wärmespeicher 40 verwendet, der aus Blech hergestellt ist, das zu einer rechteckigen Kastenform mit offenen Enden und einer Länge von etwa 38,1 cm (15 Zoll), einer Breite von etwa 7,62 cm (3 Zoll) und einer Höhe von etwa 40,64 cm (16 Zoll) ausgebildet wurde. Eine Glasfaserziehdüse 24 mit niedrigem Durchsatz bildet Verstärkungsglasfasern 12 normalerweise bei einer Rate von weniger als oder gleich wie etwa 13,62 bis 18,16 kg/h (30 bis 40 lbs/h). Der kastenförmige Wärmespeicher 40 ist zwischen dem Faserbildungsmechanismus 22 und dem Auftraggerät 26 angeordnet, derart dass wenigstens die Fasern 12 durch seine offenen Enden 42 und 44 gezogen werden. Vorzugsweise ist der Wärmespeicher 40 ausreichend isolierend, um die Oberfläche jeder Faser 12 bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Auftraggerät 26 die chemische Behandlung auf die Fasern 12 aufträgt, auf einer Temperatur von etwa 150°C (302°F) bis etwa 350°C (662°F) zu halten.
Die Verwendung solch eines Wärmespeichers 40 ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Endlosglasfaserbildungsziehdüse 24 mit niedrigem Durchsatz verwendet wird. Die Menge von Wärmeenergie, welche von den Fasern 12 gespeichert wird, die unter Verwendung einer Ziehdüse 24 mit niedrigem Durchsatz gebildet werden, ist geringer als jene, die von Fasern 12 gespeichert wird, welche unter Verwendung einer Ziehdüse mit normalem oder hohen Durchsatz gebildet werden. Demnach ermöglicht es der Wärmespeicher 40, dass die Fasern 12, welche unter Verwendung einer Ziehdüse mit niedrigem Durchsatz gebildet werden, auf der Temperatur gehalten werden, die gebraucht wird, um die gewünschte Reaktion (Abfall der Viskosität und/oder wenigstens eine teilweise Heißhärtung) in der aufgetragenen chemischen Behandlung zu bewirken. Der Wärmespeicher 40 kann so modifiziert werden, dass er bis zum Auftraggerät 26 und sogar in absteigender Linie weiter darüber hinaus angeordnet wird, um die Fasern 12 an einem Punkt bis zum Auftraggerät 26 oder in absteigender Linie davon auf der gewünschten erhöhten Oberflächentemperatur zu halten. Zum Beispiel könnte ein anderer Wärmspeicher mit einer ähnlichen Struktur wie der Wärmespeicher 40 teilweise oder ganz um die beschichteten Fasern 32 und zwischen dem Auftraggerät 26 und dem Zusammenlegemechanismus 34 angeordnet werden. Die Verwendung solch eines zusätzlichen Wärmespeichers kann wünschenswert sein, wenn ein zusätzliches Aushärten der chemischen Behandlung nötig ist, bevor der Strang 14 zum Beispiel auf einer Spule gesammelt oder anschließend anderweitig verarbeitet wird. Ein Beispiel für ein Mittel, das als solch ein Wärmespeicher in der vorliegenden Erfindung insbesondere nach dem Auftragen der chemischen Behandlung auf die Fasern verwendbar sein kann, wird im US-Patent Nr. 5.055,119 beschrieben.
Die Energie, die beim Erwärmen der aufgetragenen chemischen Behandlung verwendet wird, kann wenigstens teilweise – wenn nicht zur Gänze – durch die Wärmeenergie geliefert werden, welche von beschichteten Fasern 32 abgegeben wird. Zum Beispiel kann eine Restwärme, welche von den endlos geformten Glasfasern abgegeben wird oder darin verbleibt, eine erhebliche Menge der Wärmeenergie bereitstellen. Restwärme, die von endlos geformten polymeren Matrixfasern 13 abgegeben wird, kann auf ähnliche Art und Weise verwendet werden, um gewünschte Änderungen in einer aufgetragenen chemischen Behandlung zu bewirken.
Wenn Restwärme vom Faserbildungsprozess nicht verfügbar ist oder nicht ausreicht, wie beispielsweise wenn die Fasern 10 vorgeformt werden, abgekühlt sind oder anderweitig nicht auf der gewünschten Temperatur sind, können die Fasern 10 vorgeheizt werden, um die Wärmeenergie zuzuführen, die für die aufgetragene chemische Behandlung gewünscht wird. Solch ein Vorheizen kann durch die Verwendung eines herkömmlichen Heizsystems bewerkstelligt werden. Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf 2 ein herkömmlicher Ofen (nicht dargestellt) mit offenen Enden anstelle des Wärmespeichers 40 verwendet werden, um wenigstens die Fasern 12 auf die gewünschte Temperatur vorzuheizen, bevor die chemische Behandlung aufgetragen wird.
Durch Verwenden von Wärmeenergie, die von den Fasern 12 abgegeben wird, um wenigstens einen Teil der erforderlichen Wärmeenergie zu liefern, weist die aufgetragene chemischen Behandlung eine verringerte Viskosität auf und/oder wird von der Oberfläche der beschichteten Fasern 32 nach außen wenigstens durch einen Teil der aufgetragenen chemischen Behandlung wenigstens teilweise heiß gehärtet. Das Erwärmen von der Faseroberfläche nach außen ist eine besonders bevorzugte und wirksame Art und Weise, die aufgetragene chemische Behandlung zu erwärmen und zu helfen, die Bindung zwischen der chemischen Behandlung und der Oberfläche der beschichteten Fasern 32 zu optimieren. Außerdem ermöglicht das Erwärmen von der Oberfläche der beschichteten Fasern 32 nach außen eine größere Vielseitigkeit bei der Konstruktion der Zwischenphasenregion, welche durch die aufgetragene chemische Behandlung zwischen jeder der beschichteten Fasern 32 und dem Matrixmaterial des Verbundwerkstoffgegenstands gebildet wird.
Zum Beispiel hilft das Erwärmen einer aufgetragenen thermoplastischen chemischen Behandlung von innen nach außen, zu gewährleisten, dass ihre Viskosität an der Oberfläche der Fasern niedrig genug ist, um eine geeignete Benetzung der Faseroberfläche zu erreichen. Außerdem ermöglicht ein derartiges Erwärmen einer aufgetragenen, heiß härtbaren chemischen Behandlung, dass die aufgetragene chemische Behandlung nur an ihrer Grenzfläche mit der Faseroberfläche aushärtet, wodurch eine äußere Region einer nur teilweise ausgehärteten oder ungehärteten chemischen Behandlung bewahrt wird, welche voll ausgehärtet werden kann, wann und wo es während der anschließenden Verarbeitung gewünscht wird. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, dass diese äußere Region teilweise ausgehärtet oder ungehärtet ist, um die Bindung zwischen der chemischen Behandlung und einem anschließend aufgetragenen Matrixmaterial oder zwischen den Kontaktschichten der aufgetragenen chemischen Behandlung auf benachbarten Fasern zu erleichtern.
Vorzugsweise wird Wärme, die von den Fasern 12 abgegeben wird, verwendet, um die aufgetragene chemische Behandlung zu erwärmen. Wahlweise kann die Energie, welche verwendet wird, um die aufgetragene chemische Behandlung zu erwärmen, teilweise, im Wesentlichen oder zur Gänze durch Wärmeenergie bereitgestellt werden, die von einer Quelle abgegeben wird, die extern von den beschichteten Fasern ist. Zum Beispiel können nach dem Auftragen der chemischen Behandlung die beschichteten Fasern 32 entweder vor, während oder nach dem Zusammenlegen der beschichteten Fasern 32 zu einem Strang 14 durch einen herkömmlichen Ofen (nicht dargestellt) mit offenen Enden durchgeführt werden. Die aufgetragene Behandlung kann auch während des Bildens des Strangs 14 zu einem Verbundwerkstoffgegenstand extern erwärmt werden. Durch externes Erwärmen der chemischen Behandlung weist sie eine verringerte Viskosität auf und/oder wird von ihrer Außenfläche in die aufgetragene chemische Behandlung zur Oberfläche der beschichteten Fasern 32 wenigstens teilweise heiß gehärtet. Demnach ist auch vorgesehen, dass die Energie, die verwendet wird, um die aufgetragene chemische Behandlung zu erwärmen, durch eine Kombination von Wärme, die von der beschichteten Fasern 32 abgegeben wird, und einer oder mehr externen Wärmequellen geliefert werden kann, die angeordnet werden, um wenigstens die Verstärkungsfasern 12 vor und/oder nach dem Auftragen der chemischen Behandlung zu erwärmen.
Die chemische Behandlung kann kühl gehalten werden, bevor sie auf die Fasern 12 aufgetragen wird, um die Verwendung von sehr reaktionsfähigen Zutaten zu ermöglichen und zu helfen, die Gefahr eines durch Wärme verursachten Abbaus der chemischen Behandlung zu verringern. Die Temperatur der chemischen Behandlung, bevor sie aufgetragen wird, kann aus denselben Gründen auf weniger als oder gleich wie etwa Raumtemperatur gehalten werden. Die chemische Behandlung kann durch jedes geeignete Mittel auf der gewünschten Temperatur gehalten werden. Zum Beispiel kann eine Kühlspirale (nicht dargestellt) in die chemische Behandlung getaucht werden. Wenn endlos geformte Glasfasern gebildet werden, kann die Vorrichtung so ausgelegt sein, dass sie die Glasfasern 12 mit einer inerten Atmosphäre umgibt, bevor die chemische Behandlung aufgetragen wird. Die inerte Atmosphäre sollte helfen, zu verhindern, dass sich Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Fasern 12 ansammelt, um dadurch feuchtigkeitsinduziertes Spalten und feuchtigkeitsbedingte Passivierung der potenziellen reaktionsfähigen Spezies auf der Glasfaseroberfläche zu hemmen. Eine inerte Atmosphäre wird möglicherweise nicht gewünscht, wenn eine Ziehdüse mit großer Durchsatzmenge verwendet wird oder die Temperatur der Glasfasern zu irgendeiner anderen Zeit hoch genug ist. Die Glasfasern 12 können durch Verwenden eines Wärmespeichers 40 (siehe 2) oder einer ähnlichen Struktur, um die Glasfasern zu umgeben, mit einem Rohrleitungssystem der inerten Atmosphäre in den Wärmespeicher 40, wenn die Fasern 12 dadurch durchtreten, mit einer inerten Atmosphäre umgeben werden. Geeignete inerte Atmosphären umfassen zum Beispiel eines von Stickstoff- und Argongasen oder eine Kombination davon.
Ein Vorteil der chemischen Behandlungen ist, dass sie unter Verwendung von bekannten Fasern, Strängen und Gerätschaften zur Bildung von Verbundwerkstoffgegenständen verarbeitet werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die lösemittelfreien chemischen Behandlungen in einem Drahtbeschichtungssystem, das im Folgenden beschrieben wird, vorteilhaft eingesetzt.
HERSTELLUNG VON UMMANTELTEN STRÄNGEN
Ein anderer allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer kunststoffummantelter Verbundwerkstoffstränge, die zu einem Verbundwerkstoffgegenstand mit einer Polymer- oder Harzmatrix formbar sind, die mit Fasern verstärkt ist, die aus einem geeigneten Verstärkungsmaterial, wie beispielsweise einem Glasmaterial, einem synthetischen oder polymeren Material oder einem anderen geeigneten Nichtglasmaterial, hergestellt sind. Die ummantelten Verbundwerkstoffstränge können in Fadenform (d.h. lange Längen) oder Pelletform (d.h. kurze Längen) sein.
Konkret weist jeder ummantelte Verbundwerkstoffstrang eine Mehrzahl von Fasern auf, welche wenigstens Verstärkungsfasern und wahlweise Fasern umfassen, die aus dem thermoplastischen Matrixmaterial bestehen, das im Verbundwerkstoffgegenstand zu verwenden ist. Die Fasern werden zu einem Strang oder Bündel verarbeitet, wobei jeder Strang vorzugsweise von etwa 1.500 bis etwa 10.000 und insbesondere von etwa 2.000 bis etwa 4.000 Fasern enthält. Der Strang wird mit einer chemischen Behandlung vorimprägniert, bevor der Strang gebildet wird.
Der vorimprägnierte Verbundwerkstoffstrang wird mit einem Mantel aus thermoplastischem Material ummantelt. Wenn der ummantelte Verbundwerkstoffstrang zu Pellets zu formen ist, wird die chemische Behandlung in einer ausreichenden Menge und zwischen genügend Fasern aufgetragen, um die Fasern vom Herausfallen aus den Pellets zu bewahren. Wenn der ummantelte Verbundwerkstoffstrang zu einem Faden zu formen ist, wird die chemische Behandlung zwischen im Wesentlichen allen der Fasern angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die chemische Behandlung ein thermoplastisches Polymermaterial. Alternativerweise kann die chemische Behandlung, welche den Verbundwerkstoffstrang imprägniert, ein wärmehärtbares Polymermaterial sein, das in einem voll ausgehärteten, teilweise ausgehärteten oder ungehärteten Zustand ist. Der Strang von Fasern kann wahlweise mit einem technischen thermoplastischen Matrixmaterial, wie beispielsweise jenem, das verwendet wird, um den Verbundwerkstoffstrang zu ummanteln oder zu beschichten, voll imprägniert werden. Obwohl einige technische thermoplastische Materialien verhältnismäßig hohe Schmelzpunkte und hohe Viskositäten aufweisen, die es sehr schwierig oder unpraktisch machen können, den technischen thermoplastischen Kunststoff unter Verwendung herkömmlicher Auftraggeräte auf die Fasern aufzutragen, kann der Techniker solche technischen thermoplastischen Kunststoffe zur Verwendung als eine chemische Behandlung in der Erfindung in geeigneter Weise modifizieren.
Vorzugsweise wird der Mantel, welcher den Verbundwerkstoffstrang umgibt, aus demselben thermoplastischen Material hergestellt wie jenes, das verwendet wird, um die Matrix des Verbundwerkstoffgegenstands zu bilden. Das thermoplastische Mantelmaterial kann in Abhängigkeit von der Dicke des Mantels einen Teil oder die Gesamtheit der Matrix des Verbundwerkstoffgegenstands bilden. Vorzugsweise bindet die chemische Behandlung den Mantel genügend oder hilft anderweitig, dass er die Fasern im imprägnierten Strang wenigstens bis zum Formen des Verbundwerkstoffgegenstands zusammenhält. Außerdem ist die chemische Behandlung mit dem thermoplastischen Matrixmaterial des Verbundwerkstoffgegenstands wenigstens kompatibel.
Gemäß einem bevorzugten Prozess zum Herstellen eines oder mehrerer der thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstränge wird ein Drahtbeschichtungs- oder Extrusionsbeschichtungsprozess verwendet. Der Prozess umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Mehrzahl von Fasern, welche wenigstens Verstärkungsfasern umfassen; Auftragen einer chemischen Behandlung, um im Wesentlichen alle der Fasern zu beschichten und dadurch vorimprägnierte Fasern zu bilden; Zusammenlegen oder anderweitiges Vereinigen der beschichteten Fasern miteinander zu wenigstens einem vorimprägnierten Strang, der die chemische Beschichtung so aufweist, dass sie zwischen im Wesentlichen allen der Fasern, welche den vorimprägnierten Strang bilden, angeordnet ist; Beschichten wenigstens der Außenseite des vorimprägnierten Strangs mit einem thermoplastischen Material und Ausbilden des beschichteten Strangs zu wenigstens einem drahtbeschichteten oder anderweitig ummantelten Verbundwerkstoffstrang.
Die Fasern können unter Verwendung eines In-line-Prozesses bereitgestellt werden, welcher das Endlosformen der Verstärkungsfasern von einer Quelle von geschmolzenem Verstärkungsmaterial, wie beispielsweise Glas, umfasst. Zusätzlich zu endlos geformten Verstärkungsfasern können die Fasern, welche bereitgestellt werden, vorgeformte Verstärkungsfasern, vorgeformte Matrixfasern, endlos geformte Matrixfasern oder Kombinationen davon umfassen. Wenn sie ein wässriges System ist, wird die aufgetragene chemische Behandlung auf den Fasern erwärmt, um eine bedeutsame Menge der Feuchtigkeit darin zu verdampfen, bevor die beschichteten Fasern zu einem vorimprägnierten Strang zusammengelegt werden. Wenn sie ein wärmehärtbarer Kunststoff ist, wird die chemische Behandlung entweder in einem ungehärteten oder teilweise ausgehärteten Zustand auf die Fasern aufgetragen. Die ungehärtete oder teilweise ausgehärtete chemische Behandlung, die schließlich den ummantelten Verbundwerkstoffstrang imprägniert, kann bearbeitet (z.B. durch Erwärmen) werden, um in Abhängigkeit von der gewünschten Beschaffenheit des ummantelten Verbundwerk stoffstrangs während des Formens des Verbundwerkstoffgegenstands ein zusätzliches teilweises oder volles Aushärten zu induzieren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine lösemittelfreie chemische Behandlung, wie zuvor beschrieben, verwendet. Alternativerweise kann eine nichtwässrige chemische Zweikomponentenbehandlung verwendet werden, wie in der US-Patentanmeldung Seriennummer 08/487,948 dargelegt, die am 7. Juni 1995 eingereicht wurde.
Beispielhafte Systeme zum Bilden von polymerummantelten Strängen sind in den Zeichnungen, insbesondere 4 bis 6, veranschaulicht. 4 stellt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 110 dar, welche eine Quelle 112 von Fasern 113 umfasst, die in dieser Ausführungsform aus Verstärkungsfasern 114 bestehen. Eine beispielhafte Quelle 112 ist eine herkömmliche Ziehdüse 115 von geschmolzenem Verstärkungsmaterial (z.B. Glas), aus welcher die endlos geformten Verstärkungsfasern 114 gezogen werden.
Ein Auftraggerät 116 trägt eine chemische Behandlung auf im Wesentliche alle der Fasern 114 auf. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die chemische Behandlung, welche aufgetragen wird, wässrig, und das Auftraggerät 116 ist von einer herkömmlichen Art, die zum Auftragen von wasserbasierten chemischen Behandlungen geeignet ist. Das beispielhafte Auftraggerät 116 umfasst eine nach hinten gerichtete Auftragwalze 118, welche die chemische Behandlung auf die Verstärkungsfasern 114 aufträgt, um dadurch vorimprägnierte oder beschichtete Fasern 120 zu bilden. Die chemische Behandlung wird aufgetragen, wenn die Fasern 114 mit der Walze 118 in Kontakt kommen, wenn sie darübergleiten. Eine Wanne 122, welche die chemische Behandlung enthält, ist unter der Walze 118 positioniert. Die Walze 118 erstreckt sich in die Wanne 122 und überträgt die chemische Behandlung von der Wanne 122 auf die Fasern 114, wenn die Walze 118 durch ein herkömmliches Antriebsgerät, wie beispielsweise einen Motor (nicht dargestellt) gedreht wird. Andere geeignete Geräte oder Techniken, die zum Auftragen einer Schlichte oder anderer chemischer Behandlungen verwendet werden, können anstelle der Auftragwalzeneinheit 116 verwendet werden, um die chemische Behandlung auf die Verstärkungsfasern 114 aufzutragen.
Die wasserbasierte chemische Behandlung, welche auf die vorimprägnierten oder beschichteten Fasern 120 aufgetragen wird, wird erwärmt, um eine bedeutsame Menge der Feuchtigkeit darin zu verdampfen, und dann werden den beschichteten Fasern 120 zu einem vorimprägnierten Verbundwerkstoffstrang 124 zusammengelegt. Die Feuchtigkeit kann unter Verwendung jedes geeigneten Heizgeräts 125 aus der wasserbasierten chemischen Behandlung ausgetrieben werden. Zum Beispiel können die beschichteten Fasern 120 über ein Heizgerät 125 geführt und damit in Kontakt gebracht werden, das im Wesentlichen einer der Heizplatten ähnelt, die in den US-Patentanmeldungen Seriennummer 08/291,801, die am 17. August 1994 eingereicht wurde, und 08/311,817, die am 26. September 1994 eingereicht wurde, beschrieben werden.
Ein herkömmlicher Zusammenlegeschuh oder irgendeine andere Form von Zusammenlegevorrichtung 127 kann verwendet werden, um die getrockneten Fasern 120 zu wenigstens einem vorimprägnierten Strang 124 zusammenzulegen. Der vorimprägnierte Strang 124 wird mit einer Schicht von Polymermaterial beschichtet oder ummantelt und dadurch zu einem ummantelten Verbundwerkstoffstrang 126 ausgebildet, indem der vorimprägnierte Strang 124 durch eine Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 durchgezogen oder anderweitig durchgelassen wird. Bei einer Drahtbeschichtungsvorrichtung handelt es sich um eine Vorrichtung oder Vorrichtungen oder Mittel, die imstande sind, einen oder mehrere vorimprägnierte Faserstränge mit einem Polymermaterial zu beschichten, um einen Polymermantel auf jedem vorimprägnierten Strang 124 zu bilden. Vorzugsweise enthält jeder Strang von etwa 1.500 bis etwa 10.000 Fasern und insbesondere von etwa 2.000 bis etwa 4.000 Fasern.
Die Fasern 113, welche beim Bilden eines ummantelten Verbundwerkstoffstrangs 126 verwendet werden, können unter Verwendung eines In-line-Prozesses, wie dem in 4 dargestellten, hergestellt werden, wobei die Verstärkungsfasern 114 aus einer Ziehdüse von geschmolzenem Verstärkungsmaterial, wie beispielsweise Glas, endlos gezogen werden. Zusätzlich zu den oder anstelle der endlos geformten Verstärkungsfasern 114 können die Fasern 113 auch vorgeformte Verstärkungsfasern umfassen. Außerdem können die Fasern 113 vorgeformte Matrixfasern und sogar endlos geformte Matrixfasern oder Kombinationen davon umfassen. Ein beispielhaftes System zum Auftragen einer wässrigen chemischen Behandlung auf endlose oder vorgeformte Fasern, um einen vorimprägnierten Strang zu bilden, wird in der US-Patentanmeldung Seriennummer 08/311,817 offenbart.
Die Matrixfasern bilden schließlich einen Teil oder die Gesamtheit der Matrix des resultierenden Verbundwerkstoffgegenstands oder -produkts, wie beispielsweise Pellets 132. Beispiel für geeignete Polymermaterialien für die Matrixfasern umfassen Polyester, Polyamide, Polypropylene und Polyphenylensulfide. Die endlosen und vorgeformten Verstärkungsfasern können Glasfasern, Synthesefasern und/oder alle anderen geeigneten Verstärkungsfasern sein, z.B. Fasern aus traditionellem Silicatglas, Steinwolle, Schlackenwolle, Kohlenstoff usw. Wenn verschiedene Fasern, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, verwendet werden, kann dieselbe oder eine unterschiedliche chemischer Behandlung für jede Art von Faser verwendet werden.
Vorzugsweise umfasst die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 eine Quelle von geschmolzenem Polymermaterial, wie beispielsweise einen herkömmlichen Extruder, zum Bereitstellen des Materials, das verwendet wird, um den vorimprägnierten Strang 124 zu ummanteln. Die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 umfasst auch vorzugsweise auch eine Düse oder ein anderes geeignetes Mittel mit wenigstens einer Auslass- oder Ausgangsöffnung zum Formen des Mantels zu einer gewünschten Dicke und/oder einem gewünschten Querschnitt, vorzugsweise zu einer Dicke und einem Querschnitt, welche entlang ihrer Länge verhältnismäßig einheitlich gehalten werden. Eine beispielhafte Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 wird von Killion in Cedar Grove, New Jersey, hergestellt und umfasst einen 5-cm- oder 2-Zoll-Extruder KN200, der mit einer Querspritzkopfbeschichtungsdüse ausgestattet ist. Es können ein oder mehr ummantelte Verbundwerkstoffstränge 126 durch Durchziehen oder anderweitig Durchführen eines oder mehrerer der beschichteten Stränge 126 durch eine oder mehrere solcher Düsen gebildet werden. Das Mantelmaterial ist vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff und kann z.B. in Abhängigkeit von der Dicke des Mantels einen Teil oder die Gesamtheit der Matrix des Verbundwerkstoffgegenstands bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Mantel, der den Verbundwerkstoffstrang 124 umgibt, aus demselben thermoplastischen Material hergestellt wie jenes, das verwendet wird, um die Matrix des Verbundwerkstoffgegenstands zu bilden.
Wenn gewünscht wird, dass der ummantelte Verbundwerkstoffstrang 126 in kurzen Längen ist, kann die Vorrichtung 10 Mittel, wie beispielsweise einen Zerhacker 130, zum Zuschneiden oder anderweitigen Teilen des ummantelten Verbundwerkstoffstrangs 126 in eine Mehrzahl von ummantelten Verbundwerkstoffpellets 132 umfassen. Ein beispielhafter Zerhacker 130 ist das Modell 204T Chopper, das von Conair-Jettro in Bay City, Michigan, hergestellt wird. Wenn Pellets 132 gebildet werden, hilft die chemische Behandlung dabei, die Fasern 114 in jedem ummantelten Verbundwerkstoffpellet 132 zusammenzuhalten (hilft dabei, zu verhindern, dass eine bedeutsame Anzahl der Fasern 114 aus einem Pellet 132 herausfällt).
Die ummantelten Verbundwerkstoffpellets weisen vorzugsweise Längen von etwa 0,476 cm (3/16 Zoll) bis etwa 3,8 cm (1,5 Zoll) auf, obwohl sie länger oder kürzer sein können, wie angebracht. In einer beispielhaften Ausführungsform weisen die Pellets Längen von ungefähr 1,27 cm (0,5 Zoll) auf. Natürlich kann die Länge eines Pellets von einer Anwendung zur anderen variieren. Außerdem kann die Form des ummantelten Verbundwerkstoffstrangs variieren, um sich an eine bestimmte Anwendung anzupassen.
Die Fasern 114 können durch die Vorrichtung 10 unter Verwendung einer Ziehvorrichtung 134 durchgezogen werden, welche z.B. dazu dient, die Verstärkungsfasern 114 aus der Ziehdüse 115 zu ziehen und den vorimprägnierten Strang 124 durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 durchzuziehen. Eine beispielhafte Ziehvorrichtung 134, welche mit der zuvor erwähnten Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 von Killion erfolgreich in-line verwendet wurde, ist eine Hochgeschwindigkeitsziehvorrichtung 4/24 High Speed Puller, die ebenfalls von Killion hergestellt wird. Alternativerweise können die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 und der Zerhacker 130 so ausgelegt werden, dass sie die Funktion der Ziehvorrichtung ausführen oder der Ziehvorrichtung beim Ziehen des vorimprägnierten Strangs 124 durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 helfen.
Wenn gewünscht wird, dass das ummantelte Verbundwerkstoffstrangprodukt in Fadenform ist, kann der Zerhacker 130 durch eine Wickelvorrichtung 136 zum Ziehen der Verstärkungsfasern 114 aus der Ziehdüse 115, Ziehen des vorimprägnierten Strangs 124 durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 und Wickeln des ummantelten Verbundwerkstoffstrangs 126 zu einer Spule oder einem anderen Wickelkörper 138 von ummanteltem Verbundwerkstofffaden 140 ersetzt werden. Wenn in Fadenform, wird der Strang 124 wenigstens teilweise – wenn nicht zur Gänze – mit der aufgetragenen chemischen Behandlung imprägniert. Das heißt, der Strang 124 wird ausreichend imprägniert, um zufrieden stellende Eigenschaften in dem Verbundwerkstoffgegenstand, der dadurch gebildet wird, zu erzeugen.
Wahlweise kann die Wickelvorrichtung 136 eine Ziehvorrichtung umfassen, um beim Ziehen der Fasern 114 und/oder Ziehen des Strangs 124 zu helfen. Die beispielhafte Wickelvorrichtung 136, die in 5 veranschaulicht ist, umfasst ein drehbares Element oder eine Hülse 142, auf welcher eine abnehmbare Spule 144 mit großem Durchmesser vorgesehen ist. Die Wickelvorrichtung 136 umfasst auch einen Changiermechanismus 146, um den endlosen Verbundwerkstoffstrang 126 entlang der Länge der Spule 144 zu verteilen, um einen Wickelkörper 138 zu bilden. Eine Luftzufuhrvorrichtung (nicht dargestellt) kann zum Zuführen von Luftströmen vorgesehen sein, welche auf dem Strang 126 auftreffen, um ihn zu kühlen, bevor er aufgewickelt wird.
Beispielhafte Wickelmittel 136, welche in Verbindung mit einem Off-line-Drahtbeschichtungsvorgang verwendet werden können, kombinieren eine Hall Capstan Machine #634 (eine Ziehvorrichtung) und eine Wickelmaschine Hall blinder Machine #633, welche beide von der Hall Industries in Branford, Connecticut, hergestellt werden. Bei solch einem Off-line-Drahtbeschichtungsvorgang wird der vorimprägnierte Strang 124 zuerst gebildet und gewickelt, dann wird der gewickelte Strang 124 anschließend off-line abgewickelt und durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 gezogen, und der resultierende ummantelte Verbundwerkstoffstrang 126 wird dann wieder zu einem Wickelkörper gewickelt. Wenn angebracht, kann die zuvor erwähnte Drahtwickelvorrichtung von Hall unter Verwendung von Techniken, die in der Draht- und Kabelbearbeitungsindustrie bekannt sind, so ausgelegt werden, dass sie die hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten, die mit einem In-line-Drahtbeschichtungsprozess verbunden sind, bewältigt. Zum Beispiel kann die Spule 144, auf welche der ummantelte Verbundwerkstoffstrang 140 aufgewickelt wird, mit einem größeren Durchmesser hergestellt werden.
Eine beispielhafte Vorbereitungsmaßnahme für die Vorrichtung 110 und im Allgemeinen für eine Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 umfasst das Durchfädeln oder anderweitige Durchführen des freien Endes des vorimprägnierten Strangs 124 durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 und das Durchziehen von genügend Strang 128 dadurch, um zu ermöglichen, dass der Prozess von selbst weitergeht (z.B. um zu ermöglichen, dass der Strang automatisch gezogen wird). Solch eine Vorbereitungsmaßnahme kann das zeitweilige Ziehen eines freien Endes des vorimprägnierten Strangs 124 (durch eine Strichlinie 124' angezeigt) zum Beispiel mit einem Paar von herkömmlichen Zugrädern 137, die von der Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 beabstandet angeordnet sind, bis eine ausreichende Länge des vorimprägnierten Strangs 124 verfügbar ist, um durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 durchgeführt zu werden, umfassen. Diese Länge des vorimprägnierten Strangs 124 wird dann durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 durchgeführt und durch die Ziehvorrichtung 134, den Zerhacker 130, die Wickelvorrichtung 136 oder eine Kombination davon dadurch durchgezogen. Bei der zuvor beschriebenen Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 wird vorzugsweise eine Einführleine verwendet, um das freie Ende des vorimprägnierten Strangs 124 durch die Drahtbeschichtungsdüse durchzufädeln. Solch eine Einführleine weist ein Ende auf, das am freien Ende des Strangs 124 befestigt werden kann. Zum Beispiel kann eine Länge eines Drahtes mit einem Haken an einem Ende als die Einführleine verwendet werden. Die Einführleine kann durch die Drahtbeschichtungsdüse vorpositioniert werden, und das freie Ende des Strangs 124 kann gebogen, durch die Einführleine eingehakt und dann durch die Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 gezogen werden. Es ist vorzuziehen, solch eine Vorbereitungsmaßnahme während des Beginns des Prozesses und im Falle eines Ausbruchs (d.h. eines Faserstrangsbruchs) realisieren.
Vorzugsweise weist die Düse, die in der Drahtbeschichtungsvorrichtung 128 verwendet wird, eine öffenbare oder „Klappschalen"-Konfiguration auf, die es ermöglicht, dass der vorimprägnierte Strang 124 von einem Ende zum anderen in die Düse gelegt wird, anstatt der Länge nach durch die Düse gefädelt werden zu müssen. Solch eine öffenbare Düse kann die Notwendigkeit der zuvor beschriebenen Einführleine beseitigen. Eine beispielhafte Klappenschalendüse umfasst zwei Düsenhälften, welche unter Verwendung von Führungsstäben oder -stiften, die durch Passlöcher angeordnet sind, die durch gegenüberliegende Flächen der Düsenhälften ausgebildet sind, zusammengepasst werden können. Alternativerweise können die beiden Düsenhälften entlang von benachbarten Kanten gelenkig verbunden und so ausgelegt werden, dass sie entlang der gegenüberliegenden Kanten aneinander befestigt werden, wenn die gelenkig verbundenen Hälften geschlossen werden. Die Fläche jeder Düsenhälfte definiert eine Hälfte des Düsenhohlraums, durch welchen der vorimprägnierte Strang durchgezogen wird. Wenn die Düsenhälften zusammengepasst sind, weist der Düsenhohlraum eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung auf. Es ist vorzuziehen, dass der Eingang überdimensioniert wird, um einen Faserabrieb zu minimieren, und dass der Ausgang so bemessen wird, dass er den gewünschten Enddurchmesser und die Manteldicke des ummantelten Verbundwerkstoffstrangs 126 definiert.
Wenn die Düsenhälften getrennt sind, kann der Strang 124 schnell zwischen den Düsenhälften 124 angeordnet werden, und der Strang 124 kann durch Schließen der Düsenhälften dazwischen im Düsenhohlraum eingeschlossen werden. Eine Hochtemperaturdichtung kann zwischen den gegenüberliegenden Flächen der beiden Düsenhälften entlang der Länge des Düsenhohlraums angeordnet werden. Jede Düsenhälfte weist ein oder mehr Tore (d.h. Durchgangslöcher) auf, durch welche ein oder mehr Ströme des geschmolzenen thermoplastischen Ummantelungsmaterials zum Beispiel aus dem Extruder in den Düsenhohlraum geliefert werden, um den vorimprägnierten Strang 124 zu ummanteln, wenn er dadurch durchgezogen wird. Jede Düsenhälfte kann so ausgelegt sein, dass sie eine Vielfalt von Einsätzen annimmt, die auf verschiedene Düsenhohlräume zugeschnitten sind, um die Querschnittprofile (z.B. rund, rechteckig, oval, unregelmäßig usw.) des ummantelten Strangs 126 zu ändern. Mit solchen austauschbaren Einsätzen kann dieselbe Düse eine Vielfalt von Faserdurchmessern mit weniger Stillstandzeit bewältigen, die dadurch verursacht wird, dass die ganze Düse auszutauschen ist.
Vorzugsweise wird die chemische Behandlung so ausgewählt, dass sie den Mantel bindet oder anderweitig dabei hilft, dass er die Fasern 113 im ummantelten Verbundwerkstoffstrang 126 wenigstens bis zum Formen des Verbundwerkstoffgegenstands zusammenhält. Um dabei zu helfen, zu gewährleisten, dass der Verbundwerkstoffgegenstand bestmögliche mechanische Eigenschaften zwischen seinen Verstärkungsfasern und seiner Matrix aufweist, sollte die chemische Behandlung mit dem thermoplastischen Material des Verbundwerkstoffgegenstands kompatibel sein. Eine chemische Behandlung wird als kompatibel mit dem Matrixmaterial angesehen, wenn sie nicht verursacht, dass wichtige Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffgegenstands, wie beispielsweise Zugfestigkeit, Zugmodul, Biegefestigkeit oder Biegemodul, unzureichend sind. Solch eine Kompatibilität kann durch derartiges Formulieren der chemischen Behandlung bewerkstelligt werden, dass sie zum Interagieren und/oder Reagieren mit dem thermoplastischen Matrixmaterial imstande ist. Die Interaktion und/oder Reaktion zwischen der (z.B. thermoplastischen oder wärmehärtbaren) chemischen Behandlung und dem Matrixmaterial kann während der Herstellung des ummantelten Verbundwerkstoffstrangs, während des Formens des Verbundwerkstoffgegenstands oder während beider Prozesse stattfinden.
Die chemischen Behandlungen können im Matrixmaterial ganz oder teilweise vermischbar sein, und/oder sie können eine getrennte Phase vom Matrixmaterial bilden. Wenn sie eine getrennte Phase bildet, kann die chemische Behandlung, die um jede Faser herum angeordnet wird, eine Mehrzahl von getrennten Phasenregionen, die im Matrixmaterial dispergiert werden, und/oder eine einzige getrennte Phasenregion, welche ihre entsprechenden Fasern umgibt, bilden. Eine chemische Behandlung, wie beispielsweise solch eine von jenen, die im Folgenden erörtert werden, kann ausgewählt werden, um die Eigenschaften des Verbundwerkstoffgegenstands zu verbessern.
Wässrige chemische Behandlungen
Die wässrige chemische Behandlung, welche z.B. unter Verwendung der Vorrichtung 10 aufgetragen wird, kann einen oder mehr polymere Filmbildner in Form eines Feststoffpulvers oder anderer Partikel, die in einem Wassermedium dispergiert werden, umfassen. Der Partikelfilmbildner kann ein thermoplastisches Polymer, ein wärmehärtbares Polymer oder eine Kombination von beiden sein. Thermoplastische und wärmehärtbare Feststoffpolymere von geringer und/oder hoher Molekülmasse können verwendet werden, um einen Partikelfilmbildner zu bilden. Die wässrige chemische Behandlung kann auch ein oder mehr Bindemittel umfassen, das zusammen mit den Partikeln des Filmbildners dispergiert wird. Das Bindemittel kann eine thermoplastische und/oder wärmehärtbare Flüssigkeit, thermoplastische Partikel mit niedrigem Schmelzpunkt oder eine Kombination davon umfassen.
Vorzugsweise verhindert das Bindemittel, dass die Feststoffpartikel des Filmbildners aus dem ummantelten Verbundwerkstoffstrang herausfallen, und es verhindert auch, dass die Fasern aus dem Verbundwerkstoffstrang herausfallen, selbst wenn der Strang die Form eines Pellets aufweist. Um dies zu erreichen, werden die thermoplastischen Bindemittelpartikel wenigstens teilweise geschmolzen oder sind schmelzbar durch die Wärmeenergie, die verwendet wird, um das Wasser aus der chemischen Behandlung zu verdampfen. Außerdem weist das flüssige Bindemittel den erforderlichen Grad an Klebrigkeit oder Adhäsionsfähigkeit auf, um die Kohäsionsfähigkeit der Filmbildnerpartikel und der Fasern aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise wird ein thermoplastisches Filmbildnerpulver mit höherem Schmelzpunkt mit einem thermoplastischen Bindemittelpulver mit niedrigerem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Partikeln von Polyvinylacetat (PVAc), wässrigem Urethan usw., modifiziert oder kombiniert.
Die wässrige chemische Behandlung kann auch einen flüssigen Filmbildner umfassen, der im Wassermedium dispergiert wird (wie z.B. eine Emulsion). Der flüssige Filmbildner kann ein oder mehr thermoplastische Polymere von geringer Molekülmasse, ein oder mehr wärmehärtbare Polymere oder eine Kombination davon umfassen. Vorzugsweise fungiert bei einer wässrigen chemischen Behandlungsemulsion ein flüssiger Filmbildner auch als das Bindemittel. Die wässrige chemische Behandlung kann auch eine Kombination einer Fest-Flüssig-Dispersion und einer Flüssig-Flüssig-Emulsion sein.
Die wärmehärtbaren Filmbildner und Bindemittel, die in den wässrigen chemischen Behandlungen verwendet werden, werden vorzugsweise in einem ungehärteten Zustand auf die Fasern aufgetragen, obwohl sie auch in einem teilweise gehärteten Zustand aufgetragen werden können. Das Maß an Aus- oder Durchhärtung einer wärmehärtbaren chemischen Behandlung kann durch Wählen eines wärmehärtbaren Materials mit einer geeigneten Härtungstemperatur gesteuert werden, das bei den Temperaturen, die während der Verarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung gesehen wurden, bis zum gewünschten Grad aushärtet. Die ungehärtete oder teilweise gehärtete wärmehärtbare chemische Behandlung, welche den ummantelten Verbundwerkstoffstrang imprägniert, kann bearbeitet werden (z.B. durch Erwärmen), um in Abhängigkeit von der gewünschten Beschaffenheit des ummantelten Verbundwerkstoffstrangs während des Zerhackvorgangs, des Wickelvorgangs oder des Formen des Verbundwerkstoffgegenstands ein zusätzliches Aushärten oder volles Aushärten zu induzieren. Der Grad, bis zu welchem eine aufgetragene wärmehärtbare chemische Behandlung ausgehärtet wird, kann ungeachtet dessen, ob sie wässrig ist oder nicht, durch Verwenden einer Heizvorrichtung (z.B. des Heizgeräts 125) gesteuert werden.
Daher kann die wärmehärtbare chemische Behandlung maßgeschneidert werden, um nur ausreichendes Härten – wenn überhaupt eines – zu erlauben, um die Kohäsionsfähigkeit und/oder den Grad von Imprägnierung des ummantelten Verbundwerkstoffstrangs bis zum Formen des Verbundwerkstoffgegenstands aufrechtzuerhalten. Die einzelnen Fasern, welche den Strang bilden, müssen im thermoplastischen Matrixmaterial nicht getrennt werden, um einen gewünschten Verbundwerkstoffgegenstand zu bilden. Die wärmehärtbare chemische Behandlung kann dann so ausgelegt werden, dass sie voll aushärtet, derart dass die Fasern selbst während des Formens des Verbundwerkstoffgegenstands im Wesentlichen dauerhaft zusammenbleiben.
Die wässrige Lösungsbehandlung enthält eine Menge von einem oder mehr chemischen Behandlungspolymeren oder anderen organischen Verbindungen oder Materialien (z.B. Filmbildner, Bindemittel), um die Fasern ausreichend zu imprägnieren. Zum Beispiel enthält die wässrige chemische Behandlung genügend von dem Filmbildner und, falls vorhanden, den Bindemittelpolymeren, um die Fasern bis zum ge wünschten Grad zu imprägnieren. Es ist vorzuziehen, dass die wässrige chemische Behandlung einen oder mehr Filmbildner, Bindemittelpolymere und/oder ein anderes organisches Material in ausreichender Konzentration zu enthält, um den vorimprägnierten Strang mit einem Gehalt an organischem Material von bis zu etwa 25 Gew.-%, vorzugsweise bis zu etwa 15 Gew.-% und insbesondere ungefähr 6 bis 7 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der chemischen Behandlung plus Fasern, bereitzustellen, nachdem die gewünschte Menge Feuchtigkeit aus der aufgetragenen chemischen Behandlung entfernt wurde. Dieser Grad an Ladung organischen Materials kann auch für nichtwässrige chemische Behandlungen, die hierin erörtert werden, verwendbar sein. Ein Glühverlust- oder LOI-Verfahren kann verwendet werden, um die Menge von aufgetragener chemischer Behandlung festzustellen, die auf die Fasern geladen wurde. Zufrieden stellende Ergebnisse wurden mit einer chemischen Behandlungslösung mit einem Gehalt an organischem Material von etwa 30 Gew.-% erzielt. Solch eine Konzentration organischen Materials ergibt Stränge, die mit 5 bis 15 Gew.-% der organischen Verbindungen vorimprägniert sind, die in der chemischen Behandlung gegenwärtig sind.
Eine geeignete Konzentration organischen Materials der wässrigen chemischen Behandlung kann im Allgemeinen unabhängig von der Form der chemischen Behandlung (d.h. Dispersion, Emulsion oder dergleichen) ausgewählt werden. Außerdem kann die Konzentration organischer Materialien im vorimprägnierten Strang für eine bestimmte Konzentration variieren in Abhängigkeit von etlichen Faktoren, wie beispielsweise davon, wie schnell sich die Fasern bewegen, von der Temperatur des Heizgeräts, der Temperatur der chemischen Behandlung, wenn sie aufgetragen wird, der Neigung der chemischen Behandlung, im Strang imprägniert zu bleiben (z.B. ihre Viskosität), der Drehzahl (rpm) der Auftragwalze und davon, ob präparierte Wassersprays verwendet werden.
Es folgen spezifische Beispiele für wässrige chemische Behandlungen, welche z.B. unter Verwendung der Vorrichtung 110 aufgetragen werden können, um die Fasern vorzuimprägnieren.
Beispiel I
Sechstausend Gramm (6000 g) chemische Behandlung wurden durch die folgende Prozedur gebildet. Fünfzehn Gramm (0,25 Gew.-%, wie empfangen) Aminosilanhaftmittel A-1100 wurden 2.345 g entionisertem Wasser beigegeben. Dies wurde mehrere Minuten lang umgerührt. Dann wurden 1.875 g (31,25%) Filmbildner Covinax 201 und 1.500 g (25,0%) Filmbildner Covinax 225 in einem Zwei-Gallonen-Kübel vereint. Die Silanlösung wurde dann unter mäßigem Schütteln mit der Mischung der Filmbildner vermischt. Als Nächstes wurden der Mischung aus Silan und Filmbildnern 480 g (8,0%) Maldene 286 beigegeben. Schließlich wurden unter ständigem Umrühren 200 g (3,3%) BES-Homogenat (der Fettsäureester KESSCO BES, der zu einem Homogenat emulgiert wurde) beigegeben. Die organische Verbindungskonzentration der resultierenden chemischen Behandlungslösung betrug 30 Gew.-%. Die resultierende chemische Behandlung ist zum Auftragen auf Polyamidfasern, sowie auf Glasfasern geeignet.
Beispiel II
Sechstausend Gramm (6000 g) chemische Behandlung wurden folgendermaßen gebildet. Fünfzehn Gramm (0,25%) Silan A-1100 wurden 1.870 g entionisertem Wasser beigegeben. Dies wurde mehrere Minuten lang umgerührt. Dann wurden 3.450 g (57,5%) Filmbildner Synthemul 97903-00 in einen 7,6-l-Kübel (zwei Gallonen) geleert. Die Silanlösung wurde dann unter mäßigem Schütteln mit dem Filmbildner vermischt. Als Nächstes wurden der Mischung aus Silan und Filmbildner 480 g (8,0%) Maldene 286 beigegeben. Schließlich wurden unter ständigem Umrühren 200 g (3,3%) BES-Homogenat beigegeben. Die organische Verbindungskonzentration der resultierenden chemischen Behandlungslösung betrug 30%. Die resultierende chemische Behandlung ist zum Auftragen auf Polyamidfasern, sowie auf Glasfasern geeignet.
Beispiel III
Sechstausend Gramm (6000 g) chemische Behandlung wurden durch die folgende Prozedur gebildet. Fünfzehn Gramm (0,25%) A-1100 wurden 2.325 g entionisiertem Wasser beigegeben. Dies wurde mehrere Minuten lang umrühren gelassen. Dann wurden 1.875 g (31,25%) Covinax 201 und 1.500 g (25,0%) Covinax 225 in einem 7,6-l-Kübel (zwei Gallonen) vereint. Die Silanlösung wurde dann unter mäßigem Schütteln mit der Mischung der Covinax-Filmbildner vermischt. Eine Terephthalsäurelösung wurde durch Auflösen von 30 g (0,5%) Terephthalsäure in 30 ml konzentriertem Ammoniumhydroxid hergestellt. Die Terephthalsäurelösung wurde der Mischung aus Silan und Filmbildnern beigegeben. Dann wurden der Mischung 300 g (5,0%) Polyemulsion 43N40 beigegeben. Schließlich wurden unter ständigem Umrühren 200 g (3,3%) BES-Homogenat beigegeben. Die organische Verbindungskonzentration der resultierenden chemischen Behandlungslösung betrug 30%. Die resultierende chemische Behandlung ist zum Auftragen auf Polypropylenfasern, sowie auf Glasfasern geeignet.
Beispiel IV
Sechstausend Gramm (6000 g) chemische Behandlung wurden durch die folgende Prozedur gebildet. Fünfzehn Gramm (0,25%) A-1100 wurden 2.020 g entionisertem Wasser beigegeben. Dies wurde mehrere Minuten lang umgerührt. Dann wurden 3.450 g (57,5%) Filmbildner Synthemul 97903-00 in einen 7,6-l-Kübel (zwei Gallonen) geleert. Die Silanlösung wurde dann unter mäßigem Schütteln mit dem Filmbildner vermischt. Eine Terephthalsäurelösung wurde durch Auflösen von 30 g (0,5%) Terephthalsäure in 30 ml konzentriertem Ammoniumhydroxid hergestellt. Die Terephthalsäurelösung wurde der Mischung aus Silan und Filmbildner beigegeben. Dann wurden der Mischung 300 g (5,0%) Polyemulsion 43N40 beigegeben. Schließlich wurden unter ständigem Umrühren 200 g (3,3%) BES-Homogenat beigegeben. Die organische Verbindungskonzentration der resultierenden chemischen Behandlungslösung betrug 30%. Die resultierende chemische Behandlung ist zum Auftragen auf Polypropylenfasern, sowie auf Glasfasern geeignet.
Beispiel V
Sechstausend Gramm (6000 g) chemische Behandlung wurden durch die folgende Prozedur gebildet. Fünfzehn Gramm (0,25%) A-1100 wurden 1.870 g entionisertem Wasser beigegeben. Dies wurde mehrere Minuten lang umgerührt. Dann wurden 3.450 g (57,5%) Filmbildner Synthemul 97903-00 in einen 7,6-l-Kübel (zwei Gallonen) geleert. Die Silanlösung wurde dann unter mäßigem Schütteln mit dem Filmbildner vermischt. Schließlich wurden unter ständigem Umrühren 200 g (3,3%) BES-Homogenat beigegeben. Die organische Verbindungskonzentration der resultierenden chemischen Behandlungslösung betrug 30%. Die resultierende chemische Behandlung kann auf Fasern aufgetragen werden, welche aus einer Vielfalt von Materialien, einschließlich Polyphenylensulfid und anorganischen Fasern, hergestellt sind.
Beispiel VI
Sechstausend Gramm (6000 g) chemische Behandlung wurden durch die folgende Prozedur gebildet. Fünfzehn Gramm (0,25%) A-1100 wurden 2.345 g entionisertem Wasser beigegeben. Dies wurde mehrere Minuten lang umrühren gelassen. Dann wurden 1.875 g (31,25%) Covinax 201 und 1.500 g (25,0%) Covinax 225 in einem 7,6-l-Kübel (zwei Gallonen) vereint. Die Silanlösung wurde dann unter mäßigem Schütteln mit der Mischung der Filmbildner vermischt. Schließlich wurden unter ständigem Umrühren 200 g (3,3%) BES-Homogenat beigegeben. Die organische Verbindungskonzentration der resultierenden chemischen Behandlungslösung betrug 30%. Die resultierende chemische Behandlung kann auf Fasern aufgetragen werden, welche aus einer Vielfalt von Materialien, einschließlich Polyphenylensulfid und anorganischen Fasern, hergestellt sind.
In Bezug auf die zuvor dargelegten Beispiele I bis VI sind Covinax 201 und Covinax 225 thermoplastische Vinylacrylharzderivate, die als Filmbildner fungieren und im Handel von der Franklin International in Columbus, Ohio, erhältlich sind. Synthemul 97903-00 ist ein thermoplastischer Urethanfilmbildner, der von der Reichold Chemicals Inc. in Research Triangle Park, North Carolina, erhältlich ist. Epoxide, Polyvinylacetate und Polyester können ebenfalls als Filmbildner verwendet werden. A-1100 ist ein silanbasiertes Haftmittel, das im Handel von der Witco Chemical Company in Chicago, Illinois, erhältlich ist. KESSCO BES ist ein Fettsäureester, der als ein Schmiermittel fungiert und im Handel von der Stepan Co. in Northfield, Illinois, erhältlich ist. Ein anderes Schmiermittel, das verwendet werden kann, ist eine Mischung aus Sterinsäure und Essigsäure, die im Handel von Owens Corning unter dem Produktnamen K12 erhältlich ist. Die Polyemulsion 43N40 ist ein maleinsäureanhydridmodifiziertes Polypropylenwachs, das in Wasser dispergiert wird und im Handel von der Chemical Corporation of America in East Rutherford, New Jersey, erhältlich ist. Die Polyemulsion 43N40 fungiert als ein Zwischenphasenmodifikationsmittel, um die Zwischenphasenregion (Adhäsion) zwischen Glasfasern und einem Polypropylenmatrixmaterial durch chemisches Reagieren mit dem Haftmittel zu verbessern. Die Terephthalsäure ist im Handel von der Aldrich Chemical Company in Milwaukee, Wisconsin, erhältlich und fungiert ebenfalls als ein Zwischenphasenmodifikationsmittel, um die Adhäsion zwischen Glas und dem Polypropylenmatrixmaterial zu verbessern, indem es das Polypropylen veranlasst, nahe der Glasoberfläche zu kristallisieren. Maldene 286 ist ein partielles Ammoniumsalz von Butadienmaleinsäurecopolymer, das im Handel von der Lindau Chemical Inc. in Columbia, South Carolina, erhältlich ist. Maldene 286 fungiert als ein Zwischenphasenmodifikationsmittel, um die Adhäsion zwischen Glasfasern und einem Nylonmatrixmaterial zu verbessern.
Lösemittelfreie chemische Behandlungen
Lösemittelfreie chemische Behandlungen, wie beispielsweise jene, die zuvor beschrieben wurden, können ebenfalls verwendet werden, um ummantelte Stränge herzustellen. Die Verwendung solcher chemischer Behandlungen hat Vorteile, z.B. werden keine wesentlichen Mengen von Wasserdampf, flüchtigem organischem Kohlenstoff- oder anderem Lösemitteldampf erzeugt, wenn sie gemäß dem zuvor beschriebenen Drahtbeschichtungsverfahren bearbeitet (z.B. erwärmt) werden, einschließlich während des Formens des Verbundwerkstoffgegenstands. Da sie im Wesentlichen lösemittelfrei ist, kann die chemische Behandlung eine verringerte Viskosität aufweisen und/oder heiß gehärtet werden, ohne einen wesentlichen Abfall der Masse zu erfahren, wodurch ermöglicht wird, dass der Großteil der chemischen Behandlung, das auf die Fasern aufgetragen wird, auf den Fasern beleibt. Solch eine chemische Behandlung ist vorzugsweise auch im Wesentlichen nicht lichthärtbar.
In 6 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung 150 veranschaulicht, welche zum Herstellen eines oder mehrerer polymerummantelter Verbundwerkstoffstränge 126 unter Verwendung von lösemittelfreien chemischen Behandlungen imstande ist. Die resultierenden ummantelten Verbundwerkstoffstränge 126, welche zu Pellets oder Fäden ausgebildet werden können, sind ebenfalls zum Formen zu einem faserverstärkten Verbundwerkstoffgegenstand geeignet. Strukturelle Elemente und Komponenten der Vorrichtung 150, welche gleich oder ähnlich wie die der zuvor beschriebenen Vorrichtung 110 sind, sind mit denselben Bezugszeichen benannt, die zuvor verwendet wurden. Die beispielhafte Vorrichtung 150 umfasst ein Auftraggerät 116 mit einer nach vorne gerichteten Auftragwalze 118, welche die chemische Behandlung auf die Verstärkungsfasern 114 aufträgt, um dadurch die beschichteten Fasern 120 zu bilden. Ein herkömmliches Auftraggerät mit zwei Walzen kann anstelle der Einzelwalze 118 ebenfalls verwendet werden.
Wenn gewünscht wird, die chemische Behandlung auf den Fasern vor dem Zusammenlegen der Fasern 113 zu erwärmen, weist eine beispielhafte Vorrichtung 150 ein Auftraggerät 116 auf, das benachbart zur Unterseite der Ziehdüse 115 positioniert ist. Das Auftraggerät 116 wird so positioniert, dass die chemische Behandlung aufgetragen wird, wenn die Fasern 114 auf einer ausreichend hohen Temperatur sind (z.B. die Fasern genug Wärmeenergie abgeben), um den gewünschten Abfall der Viskosität und/oder einen gewünschten Grad von Heißhärtung (Vernetzung oder anderweitige Erhöhung der Molekülmasse) der aufgetragenen chemischen Behandlung zu bewirken. Gleichzeitig ist das Auftraggerät 116 weit genug von der Ziehdüse 115 entfernt positioniert, derart dass die chemische Behandlung aufgetragen wird, während die Fasern 114 auf einer Temperatur sind, welche der chemischen Behandlung keinen bedeutsamen Schaden zufügt (z.B. Abbau irgendwelcher organischer Chemikalien oder Verbindungen). Auf diese Weise kann der resultierende Strang 126 mit den Eigenschaften bereitgestellt werden, die für die anschließende Verarbeitung zu einem Verbundwerkstoffgegenstand gewünscht werden.
Für Verstärkungsglasfasern 114, die aus einer herkömmlichen Ziehdüse 15 mit einem normalen Durchsatz gezogen werden, wird das Auftraggerät 116 vorzugsweise so angeordnet, dass die chemische Behandlung mindestens etwa 7,62 cm (3 Zoll) und vorzugsweise etwa 15,24 cm (6 Zoll) von der Ziehdüse 115 (von wo die Fasern aus der Ziehdüse austreten) entfernt auf die Glasfasern 114 aufgetragen wird. Zufrieden stellende Ergebnisse können erzielt werden, wenn die chemische Behandlung im Bereich von etwa 20,32 cm bis etwa 25,4 cm (8 Zoll bis 10 Zoll) von der Ziehdüse 115 auf die Verstärkungsglasfasern 114 aufgetragen wird. Die bestmögliche Position des Auftraggeräts 116 in Bezug auf die Ziehdüse 115 hängt zum Beispiel von der Art der Ziehdüse, die verwendet wird (z.B. der Anzahl von Fasern, die aus der Ziehdüse 115 gezogen wird), der Temperatur des geschmolzenen Glasmaterials, der Art von chemischer Behandlung, die aufgetragen wird, den gewünschten Eigenschaften der Zwischenphasenregion wenigstens um die Verstärkungsfasern 114 und den Eigenschaften, die für den resultierenden Strang 124 und schließlich für den Verbundwerkstoffgegenstand gewünscht werden, ab.
Es kann wünschenswert sein, dass die chemische Behandlung kühl gehalten wird, bevor sie auf die Fasern 114 aufgetragen wird, um die Verwendung von sehr reaktionsfähigen Zutaten in der chemischen Behandlung zu ermöglichen und zu helfen, die Gefahr eines durch Wärme verursachten Abbaus der chemischen Behandlung zu verringern. Aus denselben Gründen kann es auch wünschenswert sein, dass die Temperatur der chemischen Behandlung, bevor sie aufgetragen wird, auf weniger als oder gleich wie etwa Raumtemperatur gehalten wird. Die chemische Behandlung kann durch jedes geeignete Mittel auf der gewünschten Temperatur gehalten werden. Zum Beispiel kann eine Kühlspirale in die chemische Behandlung getaucht werden. Wenn endlos geformte Glasfasern gebildet werden, kann es auch wünschenswert sein, dass die Vorrichtung so ausgelegt wird, dass sie die Glasfasern 114 mit einer inerten Atmosphäre umgibt, bevor die chemische Behandlung aufgetragen wird. Die inerte Atmosphäre sollte helfen, zu verhindern, dass sich Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Fasern 114 ansammelt, um dadurch ein feuchtigkeitsinduziertes Spalten und eine feuchtigkeitsbedingte Passivierung der potenziellen reaktionsfähigen Spezies auf der Glasfaseroberfläche zu hemmen, wie bereits erwähnt. Eine inerte Atmosphäre wird jedoch vorzugsweise nicht eingesetzt, wenn eine Ziehdüse mit großer Durchsatzmenge verwendet wird oder die Temperatur der Glasfasern zu irgendeiner anderen Zeit hoch genug ist.
Wie bei dem wasserbasierten System, das in 4 dargestellt ist, können die Fasern 113, welche mit der lösemittelfreien chemischen Behandlung beschichtet werden, andere Fasern als die endlos gezogenen Verstärkungsfasern 114 umfassen. Die Fasern 113 können vorgeformte Verstärkungs- und/oder Matrixfasern 152 umfassen. Wie In 6 dargestellt, werden die vorgeformten Fasern 152 von Spulen oder anderen Wickelkörpern gezogen und dann mit den endlos geformten Verstärkungsfasern 114 zusammengemischt, bevor alle der Fasern 113 zu einem Verbundwerkstoffstrang 124 zusammengelegt werden. Die Fasern 113 können auch Matrixfasern umfassen, welche zum Beispiel aus einer Ziehdüse oder Spinnvorrichtung endlos erzeugt werden und mit den Verstärkungsfasern 114 in-line zusammengemischt werden. Bevor sie zusammengemischt werden, können die vorgeformten Fasern 152 mit derselben oder einer anderen chemischen Behandlung als jener, welche auf die Verstärkungsfasern 114 aufgetragen wird, beschichtet werden. In Abhängigkeit von der Art von Fasern 152 ist es möglich, dass eine chemische Behandlung nicht auf die Fasern 152 aufgetragen wird, bevor die Fasern 113 zusammengemischt werden. Es können dieselben Techniken und Gerätschaften verwendet werden, um jede Art von Verstärkungsfasern und Matrixfaser chemisch zu behandeln, einerlei ob sie endlos geformt oder vorgeformt sind.
Es kann dasselbe Auftraggerät 116 verwendet werden, um sowohl die vorgeformten Fasern 152 als auch die endlos geformten Fasern 114 chemisch zu behandeln, bevor die Fasern 113 zu einem Strang 124 zusammengelegt werden. Alternativerweise kann ein getrenntes Auftraggerät 116' verwendet werden, um die vorgeformten Fasern 152 chemisch zu behandeln (wie durch Strichlinien 152' angezeigt). Wenn ein getrenntes Auftraggerät 116' verwendet wird, kann der Zusammenlegemechanismus 127 einen Stab oder eine Walze 154 umfassen, um zu helfen, die Fasern 114 und 152 zusammenzumischen, bevor sie um Strang 124 zusammengelegt werden. Die zuvor aufgenommene US-Patentanmeldung Seriennummer 08/527,601 beschreibt andere Verfahren und Vorrichtungen zum gemeinsamen chemischen Behandeln von vorgeformten Fasern und endlos geformten Fasern unter Verwendung desselben Auftraggeräts oder unter getrennter Verwendung von verschiedenen Auftraggeräten. Alternativerweise können einige der Fasern 113, wie beispielsweise die Matrixfasern 152, mit den beschichteten Fasern 120 zusammengelegt werden, ohne dass zuerst eine chemische Behandlung aufgetragen wird.
Ein Verbundwerkstoffgegenstand kann dann unter Verwendung von herkömmlichen Techniken hergestellt werden, wie beispielsweise durch Formen eines oder mehrerer ummantelter Verbundwerkstoffstränge 126 in Form von Pellets 132, Fäden 140 oder beidem. Der resultierende Verbundwerkstoffgegenstand kann durch Verwenden einer Spritzgieß-, Formpress-, Pressspritz- oder jeder anderen geeigneten Formtechnik gebildet werden. Die ummantelten Verbundwerkstofffäden 140 können zum Beispiel durch einen dazwischen eingelegten Web- oder Wirkprozess zu einem Stoff ausgebildet und anschließend zu einem gewünschten Verbundwerkstoffgegenstand formgepresst oder pressgespritzt werden. Ein Beispiel für solch ein Stoffbildungsverfahren und eine ebensolche Vorrichtung wird in der US-Patentanmeldung Seriennummer 98/527,601, die am 13. September 1995 eingereicht wurde, beschrieben.
Durch Berücksichtigung der zuvor dargelegten Beschreibung und Anwendung der Erfindung sind für den Fachleute geeignete Modifikationen der vorliegenden Erfindung zu erkennen. Demnach soll der Rahmen der Erfindung auf die vorhergehende ausführliche Beschreibung oder Darstellung von bevorzugten Ausführungsformen eingeschränkt, sondern durch die folgenden Patentansprüche und Entsprechungen davon definiert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrangs zur Anordnung in einem Matrixmaterial, wobei jeder Strang eine Precoat-Schicht einer thermoplastischen oder wärmehärtbaren chemischen Behandlung aufweist, die mit dem Matrixmaterial kompatibel ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Auftragen (26) auf eine Mehrzahl von Fasern (10), welche Verstärkungsfasern (12) umfassen, einer im Wesentlichen lösemittelfreien chemischen Behandlungszusammensetzung in einer ausreichenden Menge, um im Wesentlichen alle der Fasern zu beschichten und dadurch beschichtete Fasern (32) zu bilden; Zusammenlegen (34) der beschichteten Fasern zu einem imprägnierten Strang (14), der die chemische Behandlungszusammensetzung aufweist, die zwischen im Wesentlichen allen der Mehrzahl von Fasern angeordnet ist; und Ummanteln des imprägnierten Stranges durch Drahtbeschichtung (128) mit einem thermoplastischen Material, um eine thermoplastische Beschichtung zu bilden, und Ausbilden der thermoplastischen Beschichtung zu einem thermoplastischen Mantel, um einen thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstrang (126) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zusammengelegten Fasern 1.500 bis 10.000 an der Zahl sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zusammengelegten Fasern 2.000 bis 4.000 an der Zahl sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welches ferner den vorbereitenden Schritt des Inline-Endlosformens (22) von Verstärkungsfasern aus einem geschmolzenen Glasmaterial umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verstärkungsfasern vorgeformte Verstärkungsfasern umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mehrzahl von Fasern ferner Matrixfasern (13) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die chemische Behandlungszusammensetzung Wasser und ein organisches Material in solch einer Menge umfasst, dass der imprägnierte Strang einen Gehalt an organischem Material von 2 bis 25 Gew.-% aufweist, und wobei im Wesentlichen das ganze Wasser von den Fasern, die vor dem Zusammenlegeschritt mit der chemischen Behandlungszusammensetzung beschichtet werden, verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der imprägnierte Strang einen Gehalt an organischem Material von 2 bis 15 Gew.-% aufweist, und wobei die Verdampfung durch Erwärmen der chemischen Behandlungszusammensetzung auf den beschichteten Fasern erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der imprägnierte Strang einen Gehalt an organischem Material von 6 bis 7 Gew.-% aufweist, und wobei die Wärme der chemischen Behandlungszusammensetzung von einer externen Quelle oder von der Mehrzahl von Fasern zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das organische Material ein Feststoff oder eine Flüssig keit ist, die im Wasser dispergiert oder emulgiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die chemische Behandlungszusammensetzung im Wesentlichen nicht lichthärtbar ist, und wobei das organische Material einen Filmbildner und ein Haftmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die chemische Behandlungszusammensetzung thermoplastisch ist, der Filmbildner ein thermoplastisches Polymer von geringer Molekülmasse umfasst und das Haftmittel ein funktionalisiertes organisches Substrat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die chemische Behandlungszusammensetzung wärmehärtbar ist, der Filmbildner wenigstens ein multifunktionelles Monomer oder ein monofunktionelles Monomer von geringer Molekülmasse umfasst und das Haftmittel ein funktionalisiertes organisches Substrat umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die chemische Behandlungszusammensetzung nach ihrem Auftrag auf die Fasern wenigstens teilweise ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, welches ferner Wickeln (136) des thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstranges als einen Faden umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welches ferner Zuschneiden (130) des thermoplastummantelten Verbundwerkstoffstranges zu Längen umfasst, um eine Mehrzahl von Pellets (132) zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, welches ferner Kombinieren des thermoplastummantelten Verbundwerkstoffmaterials mit einem Matrixmaterial, um eine Verbundwerkstoffformulierung zu bilden, und Formen der Verbundwerkstoffformulierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner Formen der Pellets zusammen mit einem harzigen Matrixmaterial umfasst, um einen faserverstärkten Verbundwerkstoffgegenstand zu bilden.