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TECHNISCHES GEBIET UND GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen das Auftragen einer chemischen
Behandlung auf Fasern, die für
die Verarbeitung in einen Verbundwerkstoff geeignet sind. Genauer
betrifft die Erfindung das Auftragen einer chemischen Behandlung
auf Fasern, wobei die chemische Behandlung eine niedrige Viskosität aufweist
und im Wesentlichen frei von einem reaktionsunfähigen Lösemittel ist. Noch genauer
betrifft die Erfindung die Verwendung von Wärmeenergie, um die Viskosität herabzusetzen
und die Benetzungsfähigkeit
einer chemischen Behandlung zu verbessern, nachdem die Behandlung
auf die Fasern aufgetragen ist und/oder, um die Molekülmasse der aufgetragenen
chemischen Behandlung zu erhöhen oder
diese zu härten,
wobei es nur eine geringe – wenn überhaupt
eine – Erzeugung
von flüchtigem
organischem Kohlenstoff (VOC für
engl. volatile organic carbon) gibt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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 Behandlung, 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 Systeme und strahlungshärtungsbasierte
Systeme.
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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.
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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.
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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 strahlungshärtbaren
chemischen Behandlungen teuer und mit verschiedenen Klassen von
Matrixharzen im Allgemeinen nicht kompatibel.
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Dokument
GB-A-706832 offenbart
alle Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1. Dokument
EB-A-657395 offenbart
den Oberbegriff des unabhängigen
Anspruchs 14.
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Um
Verbundwerkstoffteile herzustellen, werden die Glasfaserstränge häufig in
einem Off-live-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.
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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
zur anschließenden
Verarbeitung zu einem Verbundwerkstoffgegenstand geeignet sind.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der Erfindung ist die Erzielung einer chemischen Behandlung
für Fasern,
wie zum Beispiel Glasfasern, die im Wesentlichen frei von einem reaktionsunfähigen Lösemittel
ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer
lösungsmittelfreien
chemischen Behandlung, die im Wesentlichen nicht lichthärtbar ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer derartigen
chemischen Behandlung, die eine verbesserte Benetzungsfähigkeit
aufweist. Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung einer lösemittelfreien
Behandlung, die gehärtet
werden oder deren Viskosität
durch die Zuführung
von Wärmeenergie
auf die mit chemischer Behandlung beschichtete Fasern reduziert
werden kann.
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Diese
Ziele werden unter anderem durch ein Verfahren zur Herstellung eines
Verbundwerkstoffprodukts erreicht, das die folgenden Schritte umfasst: Auftragen
einer wärmehärtbaren
Zusammensetzung auf eine Mehrzahl von Fasern, einschließlich Glasfasern
oder synthetisch verstärkte
Fasern, um Fasern zu bilden, die mit der aufgetragenen Zusammensetzung
beschichtet sind, wobei die Zusammensetzung im Wesentlichen lösemittelfrei
und im Wesentlichen nicht lichthärtbar
ist; und Erwärmen
der aufgetragenen Zusammensetzung, um dadurch die Viskosität wenigstens
eines Abschnitts der aufgetragenen Zusammensetzung zu senken, oder
um die aufgetragene Zusammensetzung wenigstens teilweise zu härten, oder
beides, um beschichtete Fasern zu bilden, wobei die Energie, die
verwendet wird, um die Zusammensetzung zu erwärmen, vollständig von
der Wärmeenergie
bereitgestellt wird, die von der Mehrzahl der Fasern ausgestrahlt
wird.
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Die
Zusammensetzung 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 150°C bis 350°C und insbesondere
von 200°C
bis 300°C
aufweisen. Die Verstärkungsfasern
können
vorgeformte Verstärkungsfasern
umfassen, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Vorwärmens der
vorgeformten Verstärkungsfasern
umfasst. 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 aufgetragenen 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 Auftragschritt kann das gleichzeitige
Beschichten der Verstärkungsfasern
und der Matrixfasern mit der chemischen Behandlung einbeziehen.
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Darüber hinaus
betrifft die Erfindung eine wärmehärtende Zusammensetzung
zum Auftragen auf Fasern zum Verarbeiten zu einem Verbundwerkstoffstrang,
der geeignet ist, um in einer Matrix angeordnet zu werden, um durch
ein wie oben beschriebenes Verfahren einen faserverstärkten Verbundwerkstoffartikel
zu bilden. Die wärmehärtende Zusammensetzung
umfasst einen Filmbildner, der wenigstens ein multifunktionales
Monomer und ein monofunktionales Monomer von geringer Molekülmasse umfasst.
Der Filmbildner umfasst ein Monomer, das aus Polyesteralkyd, Vinylester,
Amidsäure,
reaktiven Diels-Alder-Spezies und Cope-Umlagerungsverbindungen ausgewählt ist.
Die Zusammensetzung umfasst ferner ein Haftmittel, das ein funktionalisiertes organisches
Substrat umfasst. Die Zusammensetzung ist wenigstens teilweise hitzehärtbar, im
Wesentlichen lösemittelfrei
und im Wesentlichen nicht lichthärtbar.
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Die
Zusammensetzung kann ein Verarbeitungshilfsmittel umfassen. Das
Verarbeitungshilfsmittel kann ein epoxyfunktionales Viskositätsmodifikationsmittel
oder Butoxyethylstearat enthalten. Die Zusammensetzung ist vorzugsweise
bei einer Temperatur von 150°C
bis 350°C
hitzehärtbar.
Die Zusammensetzung weist vorzugsweise eine Viskosität von bis
zu etwa 300 cps bei einer Temperatur von 93 bis 110°C auf.
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Andere
Ziele, Merkmale und Vorteile der verschiedenen Aspekte der vorliegenden
Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung der Erfindung, ihrer
bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung
zum chemischen Behandeln von Fasern, die aus einem geschmolzenen
Material endlos geformt werden und zum Herstellen eines Verbundwerkstoffgegenstands
geeignet sind.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Systems zum
chemischen Behandeln von Fasern, wobei ein Wärmespeicher zwischen einem
Faserbildungsmechanismus und einem Auftraggerät der chemischen Behandlung
angeordnet ist;
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3 ist
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.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
UND BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGEN
DER ERFINDUNG LÖSEMITTELFREIE
CHEMISCHE BEHANDLUNGEN
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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.
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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.
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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 alternativ dazu
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).
Es gibt es nur eine geringe – wenn überhaupt eine – Erzeugung
von Wasserdampf, flüchtigem
organischem Kohlenstoff- oder VOC-Dampf oder einem anderen Lösemitteldampf.
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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.
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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.
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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.
Der Faserbildungsmechanismus bildet die Fasern derart, dass sie
eine Zeit lang Wärmeenergie
abgeben, nachdem sie gebildet wurden.
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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.
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Die
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 herkömmlichen
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.
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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.
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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 aufgetragen 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.
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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.
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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.
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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.
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Die
chemische Behandlung, welche von wärmehärtbarer Beschaffenheit ist,
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.
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Matrixfasern
können
entweder in-line endlos geformt oder vorgeformt werden und werden
im Wesentlichen verwendet, um einen Teil oder die Gesamtheit der
Matrix des Verbundwerkstoffgegenstands 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.
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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.
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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.
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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.
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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 an ignition) kann verwendet werden, um zu bestimmen, wie
viel von der aufgetragenen chemischen Behandlung auf den Fasern 12,
welche vorzugsweise Glas sind, ist.
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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.
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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.
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Eine
chemische Behandlung, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, umfasst 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.
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Die
aufgetragene chemische Behandlung verhält sich wie ein wärmehärtbarer
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 Wärmehärtungs-/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.
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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.
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In
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. Der Filmbildner, der in einer wärmehärtbaren chemischen Behandlung
verwendet wird, weist wenigstens ein funktionelles Monomer von geringer
Molekülmasse
aus der Gruppe auf, welche Polyesteralkyd, Vinylester, Amidsäure, 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.
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Die
chemische Behandlung verhält
sich wie ein wärmehärtbarer
Kunststoff, und es 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.
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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.
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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.
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Beispiel 1 bis 6: Flüssige Filmbildner
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Beispiel 1 – Propylenglycolfumarat: (nicht
gemäß Anspruch
14)
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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.
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Beispiel 2 – Propoxyliertes Bisphenol-A-Maleat:
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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 Malein säureanhydrid
(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.
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Beispiel 3 – Propoxyliertes Allylalkoholmaleat:
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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.
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Beispiel 4A–K – Epoxidsysteme mit niedriger
Viskosität
(nicht gemäß Anspruch
14)
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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),
HELOXY 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 62, 30% EPON Resin 8121
- (K) 65% HELOXY Modifier 62, 30% EPON Resin 8121, 5% EPON Resin
SU-2.5
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Beispiel 5 – Epoxid mit hoher Viskosität: (nicht
gemäß Anspruch
14)
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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.
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Beispiel 6 – Allylpropoxylaturethan: (nicht
gemäß Anspruch
14)
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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
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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.
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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
beige geben, 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 betrug 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, Imide 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 herkömmlichen
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 Glasoberfläche, 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.
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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.
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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.
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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 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.
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Wenn
eine von beiden Arten von chemischer Behandlung mit einem wärmehärtbaren
Matrixmaterial verwendet wird, ist es vorzuziehen, einen reaktionsfähigeren
Kompatibilitätsverbesserer
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).
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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.
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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 Verar beitungshilfsstoffen, 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.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
von Verfahren 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 28 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.
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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 Schneckengetriebean ordnung
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.
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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 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
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 von
Petersen und im
US-Patent Nr. 3,506,419 von
Smith et al. offenbart.
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Prozess 3:
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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 (nicht gemäß der Erfindung)
-
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-Fumarat mit endständigen
Hydroxygruppen, 44,5% TONE 0260, 5% DESMODUR N-100, 5% BES und 1%
A-1100; (nicht gemäß Anspruch
1)
- (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.
((b) (nicht gemäß Anspruch
14)
-
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; (nicht gemäß der Erfindung)
- (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 A-174 (b) 83% PG-Fumarat (mit endständiger Hydroxygruppe), 5%
DESMODUR N-100, 5% Maleinsäureanhydrid,
5% TBPB und 2% A-1100 oder A-174;
(nicht gemäß Anspruch
1)
- (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. (nicht gemäß Anspruch
14)
-
Formulierung für Matrixfasern:
-
- (1) Für
HEAT: 91% Allylpropoxylaturethan, 5% Diallylphthalat, 2% Maleinsäureanhydrid
und 2% TBPB; (nicht gemäß der Erfindung)
- (2) Für
NO HEAT: (a) 90% Allylpropoxylaturethan und 10% EPON 8121; oder
(b) 91% Allylpropoxylaturethan, 5% Diallylphthalat, 2% Maleinsäureanhydrid
und 2% BPO. (nicht gemäß der Erfindung)
-
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-Butylcarbamoylcarbonsäure)
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
Adipoylchlorid 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 Eisphenol-A-Epoxidharz, das von der Shell
Chemical Company erhältlich
ist.
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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
ge schmolzene 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: (nicht
gemäß der Erfindung)
-
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 propo xyliertes 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.
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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.
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PTB-basierte chemische Behandlung (nicht
gemäß der Erfindung)
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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 enthielt,
bezogen auf das Gewicht,. 96% HELOXY 67, 3% HELOXY 505 und 1% A-1100.
Diese Mischung 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.
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Polyester- oder vinylesterbasierte
chemische Behandlung
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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,
0,10% Uvitex OB und 10% A-174. Die chemische Behandlung wird dann mit
ihrem Behälter
zu einem Eimererhitzer, wie in Prozess 2 beschrieben, überführt.
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Epoxidbasierte chemische Behandlung: (nicht
gemäß der Erfindung)
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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.
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Polyester- oder vinylesterbasierte chemische
Behandlung mit zwei Silankomponenten:
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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.
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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.
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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 08/527,601, 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.
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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.
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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.
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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 Ver bundwerkstoffstrang 14 voll
zur Reaktion gebracht. Gleichermaßen wird, wenn die Reaktionsbedingungen
richtig sind (z. B. hohe Temperatur und verhältnismäßig niedrige Konzentration),
die Carbamoylcarbonsäure
in einer chemischen Behandlung wahrscheinlich vollständig in
Imid umgewandelt.
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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 14 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 14 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.
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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.
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Für die 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.
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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.
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Für Verstärkungsglasfasern 12,
die aus einer herkömmlichen
Ziehdüse 24 mit
normalem Durchsatz gezogen werden, wird das Auftraggerät 28 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.
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Unter
Bezugnahme auf 2 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.
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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.
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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,
dessen Offenbarung durch Bezugnahme hierin beinhaltet ist.
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Die
Energie, die beim Erwärmen
der aufgetragenen chemischen Behandlung verwendet wird, wird gänzlich durch
die Wärmeenergie
geliefert, 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.
-
Durch
Verwenden von Wärmeenergie,
die von den Fasern 32 abgegeben wird, um die erforderliche
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.
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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.
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Die
Wärme,
die von den Fasern 12 abgegeben wird, wird verwendet, um
die aufgetragene chemische Behandlung zu erwärmen.
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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.
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Ein
Vorteil der chemischen Behandlungen ist, dass sie unter Verwendung
von bekannten Fasern, Strängen
und Gerätschaften
zur Bildung von Verbundwerkstoffgegenständen verarbeitet werden können.
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Durch
Berücksichtigung
der zuvor dargelegten Beschreibung und Anwendung der Erfindung sind
für 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 definiert werden.