EA019254B1 - Композиционный материал и способ его получения - Google Patents

Композиционный материал и способ его получения Download PDF

Info

Publication number
EA019254B1
EA019254B1 EA200702449A EA200702449A EA019254B1 EA 019254 B1 EA019254 B1 EA 019254B1 EA 200702449 A EA200702449 A EA 200702449A EA 200702449 A EA200702449 A EA 200702449A EA 019254 B1 EA019254 B1 EA 019254B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
fibers
composite material
fiber
polypropylene
material according
Prior art date
Application number
EA200702449A
Other languages
English (en)
Other versions
EA200702449A1 (ru
Inventor
Брайан Г. Морин
Original Assignee
ИННЕГРИТИ, ЭлЭлСи
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ИННЕГРИТИ, ЭлЭлСи filed Critical ИННЕГРИТИ, ЭлЭлСи
Publication of EA200702449A1 publication Critical patent/EA200702449A1/ru
Publication of EA019254B1 publication Critical patent/EA019254B1/ru

Links

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/02—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/04—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyolefins
    • D01F6/06—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from homopolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyolefins from polypropylene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B16/00—Use of organic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of organic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B16/04—Macromolecular compounds
    • C04B16/06—Macromolecular compounds fibrous
    • C04B16/0616—Macromolecular compounds fibrous from polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • C04B16/0625—Polyalkenes, e.g. polyethylene
    • C04B16/0633—Polypropylene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/14—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing calcium sulfate cements
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/28—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F6/30—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from copolymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds comprising olefins as the major constituent
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F6/00—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof
    • D01F6/44—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from mixtures of polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds as major constituent with other polymers or low-molecular-weight compounds
    • D01F6/46—Monocomponent artificial filaments or the like of synthetic polymers; Manufacture thereof from mixtures of polymers obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds as major constituent with other polymers or low-molecular-weight compounds of polyolefins
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/249927—Fiber embedded in a metal matrix
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/249928—Fiber embedded in a ceramic, glass, or carbon matrix
    • Y10T428/249929—Fibers are aligned substantially parallel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249924—Noninterengaged fiber-containing paper-free web or sheet which is not of specified porosity
    • Y10T428/249932—Fiber embedded in a layer derived from a water-settable material [e.g., cement, gypsum, etc.]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Woven Fabrics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к композитным материалам, включающим полимерные армирующие волокна, которые могут добавить прочность и изломостойкость матрице. Полимерные армирующие волокна представляют собой моноволокна или ленточные волокна на основе полипропилена, обладающие чрезвычайно благоприятными механическими характеристиками для структурного армирования, включая следующие свойства: а) модуль упругости, превышающий 10 ГПа, и удлинение менее чем 10%; и б) отношение экваториальной интенсивности к меридиональной интенсивности, превышающее 1,0, в соответствии с измерением, проводимым методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS), и при этом композиционный материал обладает средней остаточной прочностью, превышающей 0,80 МПа при значении загрузки волокна, равной от 2 до 9 фунтов волокна на кубический ярд матричного материала (от приблизительно 1,2 до приблизительно 5,3 кг/м). Описанные армированные композиционные материалы могут проявлять желаемые значения средней остаточной прочности с меньшей общей загрузкой волокна, необходимой для достижения данных значений СОП, по сравнению с уже известными полимерными армированными материалами. В описанных композиционных материалах может быть достигнута очень высокая прочность и изломостойкость. Также настоящее изобретение относится к способу получения указанного композиционного материала, включающему: (1) получение множества отдельных полипропиленовых волокон, аксиальная длина которых меньше чем 130 мм, причем волокна имеют отношение экваториальной интенсивности к меридиональной интенсивности, превышающее 1,0, в соответствии с измерением, проводимым методом малоуглового

Description

Данное изобретение направлено в одном варианте осуществления на композиционный материал, включающий матричный материал и множество волокон на основе полипропилена, диспергированных в матричном материале, и, в частности, моноволокон или ленточных волокон на основе полипропилена. В другом варианте осуществления данное изобретение направлено на способы получения описанных композиционных материалов. В одном варианте осуществления волокна описанных композиционных материалов могут включать только полипропиленовые гомополимеры и/или сополимеры в качестве полимерной компоненты волокон. В другом варианте осуществления, однако, полимерная компонента может включать один или более полипропиленовых полимеров в смеси с другими полимерами. В одном из вариантов реализации изобретение включает матричный материал и множество отдельных полимерных волокон, имеющих длину менее чем 5 дюймов (130 мм), диспергированных в матричном материале, причем полимерный компонент волокон выбран из группы, состоящей из полипропиленовых гомополимеров, полипропиленовых сополимеров и их смесей, причем волокна обладают по меньшей мере одним из следующих свойств: а) модуль упругости, превышающий 10 ГПа, и удлинение менее чем 10%; и б) отношение экваториальной интенсивности к меридиональной интенсивности, превышающее 1,0, в соответствии с измерением, проводимым методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (8ЛХ8), и при этом композиционный материал обладает средней остаточной прочностью, превышающей 0,80 МПа при значении загрузки волокна, равной между приблизительно 2 и приблизительно 9 фунтов волокна на кубический ярд матричного материала (от приблизительно 1,2 до приблизительно 5,3 кг/м3).
В одном варианте осуществления волокна в матрице могут иметь модуль упругости, превышающий 12 ГПа, и удлинение, не превышающее 10%. В другом варианте осуществления волокна могут иметь более высокий модуль упругости, например, больше чем 16 ГПа. В одном варианте осуществления волокна по данному изобретению могут иметь модуль упругости, составляющий 18 ГПа или даже больше, например больше чем 20 ГПа. Волокна могут иметь меньшее удлинение, например меньшее чем 8% в некоторых вариантах осуществления или меньшее чем 6% в других вариантах осуществления. Волокна могут быть необязательно обрезаны, фибриллированы или деформированы, что может дополнительно улучшить характеристики композиционных материалов. Например, в одном варианте осуществления волокна могут быть обрезаны так, чтобы их длина составляла меньше чем 12,7 см, и диспергированы в матрице. Описанные волокна могут быть необязательно деформированы либо до смешивания с матричным материалом, либо в способе смешивания.
Матричный материал описанных композитов может представлять собой любой матричный материал, который может быть улучшен за счет наличия добавленных волокон. Например, матричный материал может представлять собой органический или неорганический матричный материал. В одном варианте осуществления матричный материал может представлять собой неорганический структурный матричный материал, например бетонный или гипсовый структурный матричный материал.
Композиционные материалы, включающие описанные волокна, могут демонстрировать превосход
- 1 019254 ные прочностные и изломостойкие характеристики. Например, при относительно низких величинах загрузки волокна, изменяющихся от 2 фунт/ярд3 (1,2 кг/м3) и до 4 фунт/ярд3 (2,4 кг/м3), описанные композиционные материалы могут иметь более высокие значения средней остаточной прочности (СОП), чем многие уже известные полимерные армированные композиты, и в одном особом варианте осуществления больше чем 0,8 МПа. Предпринимались неудачные попытки обеспечения волокон или композиционного материала, обладающего физическими свойствами и преимуществами настоящего изобретения, такие как изобретения согласно публикациям заявок на патент США 20010050032, 20030082378, 20030044592 и 20050019565, а также согласно патентам США 4979992 и 6753081.
В одном варианте осуществления композиты могут демонстрировать значение СОП, превосходящее 1,75 МПа или даже больше, такое как превосходящее 1,8 МПа при уровнях загрузки волокна, меньшем чем 10 фунт/ярд3 (5,9 кг/м3). В других вариантах осуществления описанные композиционные материалы могут обладать очень высокими прочностными и изломостойкие характеристиками. Например, при уровнях загрузки волокна, изменяющихся от 5 (2,9 кг/м3) и до 7 фунт/ярд3 (4,1 кг/м3), описанные композиционные материалы могут демонстрировать значение СОП, превосходящее 1,5 МПа. В других вариантах осуществления композиционные материалы могут демонстрировать значение СОП, превосходящее 2,0 МПа при уровнях загрузки волокна, меньших чем 14 фунт/ярд3 (8,3 кг/м). Описанные материалы могут также иметь высокие значения прочности на сжатии, например, превосходящие 50 МПа в одном варианте осуществления.
Полипропиленовые волокна по данному изобретению также могут обладать высокой кристалличностью. Например, полипропиленовые гомополимерные мононити по данному изобретению могут обладать кристалличностью, превосходящей 80% в соответствии с данным известных измерительных методик широкоуглового рассеяния рентгеновских лучей (\УЛХ8).
В одном варианте осуществления волокна в описанных композиционных материалах могут иметь отношение экваториальной интенсивности к меридиональной интенсивности, превосходящее 1,0 в соответствии с данными известных измерительных методик малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (8ЛХ8). Данное отношение может быть выше в других вариантах осуществления, например, большим чем 1,5 или даже больше, например большим чем 3,0.
При желании, композиционный материал по данному изобретению может также включать другие типы армирующих волокон. Например, описанные материалы могут включать один или более типов волокон, таких как стальные волокна, углеродные волокна, полипарафенилен-терефталамидные волокна, сверхвысокомолекулярные полиэтиленовые волокна, волокна на основе жидкокристаллических полимеров, волокна на основе поливинилового спирта и стекловолокна.
Краткое описание чертежей
Полное и достаточное раскрытие данного изобретения, включая наилучший его способ, изложено для специалиста в данной области техники более конкретно в остальной части описания, включая отсылку к сопутствующим чертежам, из которых фиг. 1 представляет собой схематическую диаграмму одного варианта осуществления способа в соответствии с данным изобретением;
фиг. 2 иллюстрирует продольную усадку экструдируемого потока отдельной нити, полученной в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения;
фиг. 3 графически иллюстрирует увеличение средней остаточной прочности (СОП) с увеличением длины волокна при постоянном значении загрузки волокна для блоков, полученных из композиционного бетонного материала, включающего типовые волокна по данному изобретению;
фиг. 4 графически иллюстрирует увеличение СОП с увеличением загрузки волокна для блоков, полученных из композиционного бетонного материала, включающего типовые волокна по данному изобретению;
фиг. 5 представляет собой диаграмму рассеяния \УЛХ8 полипропиленовой мононити, полученной в соответствии с одним вариантом осуществления описанного здесь способа; и фиг. 6 представляет собой диаграмму рассеяния 8ЛХ8 полипропиленовой мононити, полученной в соответствии с одним вариантом осуществления описанного здесь способа.
Повторное использование условных обозначений в данном описании и на чертежах предназначено для представления тех же или аналогичных особенностей или элементов данного изобретения.
Подробное описание изобретения
Далее будет приведена подробная ссылка на различные варианты осуществления данного изобретения, один или более примеров которого изложены ниже. Каждый вариант осуществления представлен при помощи объяснения изобретения, а не его ограничения. Фактически, специалистам в данной области техники будет понятно, что в данное изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходя за рамки объема или сущности данного изобретения. Например, особенности, проиллюстрированные или описанные как часть одного варианта осуществления, могут быть использованы в другом варианте осуществления для получения еще одного варианта осуществления. Таким образом, предполагается, что данное изобретение покрывает такие модификации и изменения, которые не выходят за рамки приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов.
- 2 019254
В одном варианте осуществления данное изобретение направлено на композиционные материалы, включающие в себя полимерные моноволокна и полимерные ленточные волокна, и способы получения описанных волокон. Композиционные материалы, полученные в соответствии с описанными процессами, могут демонстрировать улучшенные механические характеристики по сравнению с уже известными композиционными материалами, включающими в себя другие полимерные моноволокна и ленточные волокна.
Для целей данного раскрытия моноволокно здесь определено как волокно, которое было экструдировано или сформовано из расплава в виде отдельного волокна. Т.е., хотя экструдированное моноволокно может быть подвергнуто обработке после экструзии (например, быстрому охлаждению, сушке, вытягиванию, тепловой обработке, нанесению покрытия и т.д.), волокно будет с самого начала экструдировано или сформовано из расплава в виде отдельного волокна. Ленточное волокно, с другой стороны, предназначено для обозначения волокон, которые были получены из более крупной заготовки в ходе обработки после экструзии. Например, термин ленточное волокно может охватывать волокна, которые были отрезаны или каким-либо другим образом отделены от более крупной экструдированной пленки, например, экструдированной плоской пленки или пленки, экструдированной в виде цилиндра. В общем случае ленточные волокна могут иметь четкое разграничение смежных сторон пленки с явным углом между смежными сторонами, так как они обычно могут быть получены путем отрезания или нарезания отдельных волокон из более крупной полимерной заготовки, но это не является требованием данного изобретения. Например, в одном варианте осуществления отдельные ленточные волокна могут быть вытянуты из более крупного полимерного куска и, таким образом, могут не иметь более острых углов между смежными краями, что может быть типичным для ленточного волокна, которые было отрезано от более крупного куска материала.
В одном варианте осуществления данное изобретение направлено на способы включения описанных волокон в композиционные материалы, а также продукты и композиционные материалы, которые могут с выгодой для себя включать данные волокна. В соответствии с одним особым вариантом осуществления данного изобретения описанные волокна могут использоваться для придания прочности матрице композиционного структурного материала. В соответствии с данным вариантом осуществления волокна при включении в композит могут усиливать и армировать структурную матрицу.
Моноволокна и ленточные волокна по данному изобретению представляют собой материал на основе полипропилена. В некоторых вариантах осуществления, описанных ниже более подробно, волокна по данному изобретению могут быть получены с одним или более полипропиленовыми гомополимерами и/или сополимерами в качестве единственной полимерной компоненты волокон. Это не является требованием данного изобретения, однако в других вариантах осуществления описанные способы могут использоваться для получения моноволокон или ленточных волокон, обладающих желаемыми физическими характеристиками, из полипропиленовых смесей, например, смесей полипропилен/полиэтилен.
Для целей данного раскрытия термин полипропилен предназначен для описания любой полимерной композиции, включающей в себя пропиленовые мономеры, либо в виде гомополимера, либо сополимера с другими полиолефинами, диенами, или другими мономерами (такими как этилен, бутилен и т.п.). Термин также предназначен для охватывания любой отличной конфигурации и расположения входящих в состав мономеров (такие как синдиотактические, изотактические и т.п.). Таким образом, термин в том виде, в котором он относится к моноволокнам или ленточным волокнам, предназначен для описания действительно длинных нитей, лент, ниток и т.п. полипропиленового гомополимера или сополимера.
Что касается фиг. 1, один вариант осуществления описанного здесь процесса, как правило, 10 проиллюстрирован схематически. В соответствии с проиллюстрированным вариантом осуществления изобретения расплав на основе полипропилена может быть доставлен к экструдеру для экструзии 12. Как правило, любой полипропилен, пригодный для получения вытянутых пленок или волокон, может использоваться в описанном способе. Например, полипропилен, пригодный для данного изобретения, может, как правило, характеризоваться любой стандартной вязкостью расплава. Например, в одном варианте осуществления полипропиленовая смола стандартной экструзионной марки, имеющая индексы текучести расплава (ΜΡΙ) между приблизительно 0,2 и приблизительно 50, может использоваться для получения описанных волокон. В одном варианте осуществления может использоваться полипропилен, имеющий значение ΜΡΙ между приблизительно 0,5 и приблизительно 25. В одном варианте осуществления полипропилен, используемый для получения волокон, может иметь значение ΜΡΙ между приблизительно 1 и приблизительно 15. В другом варианте осуществления полипропилен может иметь значение ΜΡΙ между приблизительно 1 и приблизительно 12. В другом варианте осуществления значение ΜΡΙ может составлять от приблизительно 1 до приблизительно 8.
В одном варианте осуществления полимерная композиция, доставляемая к экструдеру 12, может включать полипропилен и зародышеобразователь. В соответствии с данным вариантом осуществления зародышеобразователь может, как правило, представлять собой любой материал, который может создать центры зародышеобразования кристаллов полипропилена, которые могут образоваться в процессе перехода полипропилена от расплавленного состояния к твердой структуре. В одном варианте осуществления зародышеобразователь может обладать высокой растворимостью в полипропилене, хотя это не является
- 3 019254 требованием данного изобретения. Неограничивающий список типовых зародышеобразователей может включать, например, зародышеобразователи на основе дибензилиденсорбита, известные в данной области техники, такие как дибензилиденсорбит (ДБС), монометилдибензилиденсорбиты, такие как 1,3:2,4бис(п-метилбензилиден)сорбит (п-МДБС), диметилдибензилиденсорбиты, такие как 1,3:2,4-бис(3,4диметилбензилиден)сорбит (3,4-ДМДБС), и т.п. Другие подходящие зародышеобразователи могут включать бензоат натрия, соли фосфатных эфиров, такие как ΝΑ-11 и ΝΑ-21, разработанные АкаЫ Осока. Япония, или гиперзародышеобразователи, разработанные М1Шкеи Сйетюа1, Южная Каролина, такие как, например, НурегГога!® ΗΡΝ-68Ε.
Отдельные компоненты полимерной композиции для получения конечных волокон вводят в экструдер вместе или по отдельности через входное отверстие 13. Например, отдельные компоненты, такие как одна или более полипропиленовых смол и зародышеобразователь, вводят в зкструдер 12 либо по отдельности, либо вместе в виде жидкости, порошка или гранул. В одном варианте осуществления как полипропиленовая смола, так и зародышеобразователь вводят в виде гранул в экструдер 12 через входное отверстие 13. В другом варианте осуществления зародышеобразователь может быть введен в процесс в виде жидкости. Например, в данном процессе могут быть использованы жидкие зародышеобразователи, такие как описанные в патенте США 6102999 Кобб (СоЬЬ), III, с соавт., который включен здесь посредством ссылки.
При включении зародышеобразователя он может, как правило, присутствовать в смеси, предназначенной для экструзии, в количестве, не превышающем приблизительно 1% от массы композиции. Например, зародышеобразователь может присутствовать в смеси в количестве, не превышающем приблизительно 0,5 мас.%. В одном варианте осуществления зародышеобразователь может присутствовать в смеси в количестве, изменяющемся от приблизительно 0,01% по массе до приблизительно 0,3% по массе. В другом варианте осуществления зародышеобразователь может присутствовать в смеси в количестве, изменяющемся от приблизительно 0,05% по массе до приблизительно 0,25% по массе.
Смесь, включающая полипропиленовую смолу и необязательно зародышеобразователь, может также включать другие различные добавки, известные в данной области техники. Например, в одном варианте осуществления описанные моноволокна могут быть определенного цвета, и смесь может включать подходящие окрашивающие вещества, такие как красители или другие пигменты. В соответствии с данным вариантом осуществления может быть предпочтительным использование зародышеобразотеля, который не будет оказывать влияния на конечную окраску волокон, но это не является требованием данного изобретения, и в других вариантах осуществления могут использоваться зародышеобразователи, которые усиливают окраску полученного волокна или каким-либо другим образом влияют на нее. Другие добавки, которые можно сочетать со смесью, могут включать, например, одно или более средств, снимающих или снижающих статические заряды, антиоксиданты, противомикробные агенты, связывающие вещества, стабилизаторы, пластификаторы, блескообразующие вещества, осветляющие вещества, стабилизаторы ультрафиолетового света, поверхностно-активные агенты, агенты, усиливающие запах или предотвращающие его появление, светорассеивающие агенты, нейтрализаторы ионов галогенов и т.п. Дополнительно, добавки могут входить в состав расплава или, в некоторых вариантах осуществления, применяться для обработки поверхности в случае либо невытянутого волокна, либо необязательно вытянутого волокна, что известно в данной области техники.
В одном варианте осуществления полипропиленовые волокна по данному изобретению могут быть получены из смеси полиолефинов, одним из которых может быть полипропилен. Например, полиолефин может смешиваться со вторым полимером в экструдере. При желании второй полимер может быть другим полипропиленом или совершенно другим полиолефином. В одном варианте осуществления полимерная компонента волокон может быть получена из смеси полипропилен/полиэтилен. В других вариантах осуществления другие полимеры могут смешиваться с полипропиленом. Например, в одном варианте осуществления полипропиленовое волокно по данному изобретению может быть получено из смеси полипропилен/циклический полиолефин.
В одном варианте осуществления экструдер 12 может представлять собой машину для формования из расплава, известную в данной области техники. Например, экструдер 12 может включать смесительный коллектор 11, в котором композиция, включающая по крайней мере одну полипропиленовую смолу, необязательно один или более дополнительных полиолефинов и любые другие желаемые добавки, может смешиваться и нагреваться до получения расплавленной композиции. Получение расплавленной смеси может, как правило, проводиться при повышенной температуре для того, чтобы обеспечить плавление практически всего полипропилена. Например, в одном варианте осуществления смесь может смешиваться и плавиться в коллекторе 11, нагретом до температуры от приблизительно 175°С до приблизительно 325°С.
Необязательно, для дополнительного обеспечения жидкого состояния расплавленной смеси в одном варианте осуществления расплавленная смесь может быть отфильтрована до экструзии. Например, для удаления любых мелких частиц из смеси расплавленная смесь может быть отфильтрована через фильтр с указателем от приблизительно 180 до приблизительно 360.
После образования расплавленной смеси смесь может быть подана под давлением в фильере 14 экс
- 4 019254 трудера 12, откуда она может быть экструдирована через отверстие для получения волокна 9. Как описано выше, смесь может быть экструдирована либо в виде моноволокна 9, как показано на фиг. 1, либо в виде пленки, например, в листовой или цилиндрической ориентации и отрезана или нарезана на отдельные ленточные волокна в ходе последующей обработки пленки. В частности, хотя большая часть последующего обсуждения направлена конкретно на получение моноволокна, будет понятно, что описанные ниже процессы также предназначены для охватывания получения пленок для последующего получения ленточного волокна.
Фильеру 14, как правило, можно нагревать до температуры, которая позволяет экструдировать расплавленный полимер, предотвращая разрыв волокна 9 в процессе получения. В одном варианте осуществления расплав можно экструдировать при температурах, больших, чем обычно используемые в процессах получения моноволокна, разработанных ранее. Например, в одном варианте осуществления фильеру 14 можно нагревать до температуры, лежащей в диапазоне от приблизительно 175°С до приблизительно 350°С. В одном варианте осуществления фильеру 14 можно нагревать в процессе экструзии до температуры, лежащей в диапазоне от приблизительно 250°С до приблизительно 325°С. В одном варианте осуществления фильеру 14 можно нагревать до той же температуры, что и смесительный коллектор 11. Это не является требованием данного процесса, однако в других вариантах осуществления фильера 14 может иметь температуру, отличную от температуры смесительного коллектора 11. Например, в одном варианте осуществления перемещение смеси от входного отверстия до смесительного коллектора и фильеры может сопровождаться повышением температуры. В одном варианте осуществления смесь до экструзии может проходить через несколько зон, например первую зону, в которой температура относительно низкая, например от приблизительно 75°С до приблизительно 150°С, вторую зону, в которой температура может лежать в интервале от приблизительно 125°С до приблизительно 275°С, и третью зону в районе фильеры, которая может необязательно включать как вращающуюся головку, так и вращающийся мундштук, температура которой может поддерживаться в интервале от приблизительно 175°С до приблизительно 350°С, при которой расплав можно экструдировать.
При получении моноволокна максимальный размер поперечного сечения отверстия (например, диаметр в случае круглого отверстия) фильеры, через которую можно экструдировать полимер, как правило, может быть меньше чем приблизительно 0,10 дюйма (2,54 мм). Например, в одном варианте осуществления максимальный размер поперечного сечения отверстий фильеры может лежать в диапазоне от приблизительно 0,012 дюйма (0,35 мм) до приблизительно 0,05 дюйма (1,27 мм).
При получении пленки головка экструдера для пленки может иметь любую подходящую ориентацию и длину, и ее толщина может быть задана в диапазоне от приблизительно 0,012 дюйма (0,35 мм) до приблизительно 0,10 дюйма (2,54 мм). Например, в одном варианте осуществления ширина головки для пленки может быть задана в диапазоне от приблизительно 0,012 дюйма (0,35 мм) до приблизительно 0,05 дюйма (1,27 мм).
В соответствии с данным изобретением полимер можно экструдировать через фильеру при относительно высокой пропускной способности. Например, полимер можно экструдировать через мундштук при пропускной способности, не меньшей чем приблизительно 50% от необходимой для достижения избыточного сдвига. Данный избыточный сдвиг может быть обнаружен в процессе по резкому уменьшению прочности волокна на разрыв и модуля упругости при дальнейшем увеличении пропускной способности отверстия. Например, в фильере с максимальным диаметром 0,0276 дюйма при температуре головки и фильеры, равной 270°С, степени вытяжки, равной 13 (максимально достижимой), конечной скорости в 250 м/мин и массовом номере волокна, равном 4 91 (пропускная способность 13,6 г/мин), волокно обладает прочностью на разрыв, равной 5,9 г/денье. Для той же самой фильеры, работающей при температуре 300°С, степени вытяжки, равной 16 (максимально достижимой), конечной скорости в 160 м/мин и массовом номере волокна, равном 410 (пропускная способность 7,3 г/мин), прочность на разрыв составляет 8,0 г/денье. Конкретное значение пропускной способности избыточного сдвига, как правило, может изменяться в зависимости от одного или более конкретных экструдируемых материалов, размера отверстия фильеры, а также температуры экструзии. Значения пропускной способности избыточного сдвига для любой конкретной системы и материалов, а также способов получения таковых, как правило, известны специалистам в данной области техники, и поэтому подробное обсуждение этого явления здесь не приведено.
В дополнение к относительно высокой пропускной способности волокна или пленки также могут получаться при относительно низком натяжении на линии вытяжки. Сочетание высокой пропускной способности и низкого натяжения на линии вытяжки может позволить получать волокна при относительно низком отношении размера отверстия фильеры к конечному размеру вытянутого волокна по сравнению с другими уже известными процессами получения моноволокна. Аналогично, в варианте осуществления, в котором пленки могут быть получены в соответствии с данным процессом, может быть достигнуто относительно низкое отношение толщины головки к конечной толщине вытянутой пленки. Например, отношение максимальной ширины поперечного сечения отверстия к максимальному размеру поперечного сечения единичного, полностью вытянутого волокна, экструдированного через отверстие, в одном варианте осуществления может лежать в интервале от приблизительно 2 до приблизительно 10. В
- 5 019254 одном варианте осуществления данное отношение может лежать в интервале от приблизительно 2 до приблизительно 8, а в другом варианте осуществления - в интервале от приблизительно 2 до приблизительно 5. Соответственно, материал, образующий каждое волокно, может находиться в полностью ненапряженном, неориентированном состоянии в тот момент, когда он начинает охлаждаться и кристаллизоваться.
Возвращаясь к фиг. 1, на следующей стадии процесса экструзии полимера невытянутое волокно 9 может быть быстро охлаждено в относительно теплой жидкостной бане 16 при перемещении с помощью ролика 18. Жидкостная баня 16, в которой волокно 9 может быть быстро охлаждено, может быть заполнена жидкостью, в которой полимер нерастворим. Например, данная жидкость может представлять собой воду, этиленгликоль или любую другую подходящую жидкость, известную в данной области техники.
Дополнительно, для дальнейшего стимулирования образования складчатых кристаллов в волокне 9, баню 16 можно нагреть. Например, баню можно нагреть до температуры, близкой к температуре максимальной кристаллизации (Тс) полимера. В частности, жидкостная баня 16 может иметь температуру, равную по крайней мере приблизительно 50°С. Например, баню можно нагреть до температуры, лежащей в интервале от приблизительно 50°С до приблизительно 130°С. В одном варианте осуществления баня для охлаждения 16 может находиться при температуре от приблизительно 70°С до приблизительно 100°С. Хотя не стоит ограничиваться какой-либо конкретной теорией, считается, что при экструзии волокон с относительно низким натяжением на линии вытяжки и высокой пропускной способностью в сочетании с быстрым охлаждением полимерного волокна в горячей жидкостной бане, описанный здесь способ стимулирует образование складчатых кристаллов в сильно разупорядоченном состоянии в полимере, что, в свою очередь, позволяет использовать в процессе высокую степень вытяжки и, следовательно, позволяет получать моноволокно или ленточное волокно, обладающее высокой прочностью на разрыв и/или модулем упругости.
Как известно в данной области техники, полимеры, которые кристаллизуются из расплава при изменяющихся температуре и условиях натяжения, кристаллизуются со скоростью кристаллизации, зависящей как от числа центров зародышеобразования, так и скорости роста полимерного кристалла. Более того, оба этих фактора, в свою очередь, связаны с условиями, в которых находится полимер в ходе быстрого охлаждения. Дополнительно, полимеры, которые кристаллизуются, находясь в высокоориентированном состоянии, зачастую имеют ограниченные прочность на разрыв и модуль упругости, что проявляется в ограниченных степенях вытяжки, которые возможны для таких высокоориентированных полимеров. Таким образом, для получения волокна с высокими прочностью на разрыв и модулем упругости предлагается проводить кристаллизацию полимера, когда он находится в сильно разупорядоченном состоянии. Соответственно, данное изобретение относится к способу получения волокна, в котором кристаллизация полимера в сильно разупорядоченном состоянии активируется за счет того, что инициируется максимальная релаксация волокна или пленки для перехода в желаемое неориентированное состояние в ходе кристаллизации за счет получения полимера при относительно высокой пропускной способности и низком натяжении на линии вытяжки. Необязательно, в некоторых вариантах осуществления может также поддерживаться более высокая скорость кристаллизации при помощи добавления зародышеобразователя к расплаву. Дополнительно, быстрое охлаждение полученных полимерных нитей в теплой жидкостной бане может стимулировать образование складчатых кристаллов, которое также связано с высокими степенями вытяжки материалов с высокими прочностью на разрыв и модулем упругости.
Как описано выше, отдельное волокно 9 можно экструдировать в соответствии с описанным способом при относительно низком натяжении на линии вытяжки. Как таковой, ролик 18 может работать с относительно низкой скоростью. Например, скорость ролика 18, как правило, может быть задана меньшей чем приблизительно 25 м в минуту (м/мин). В одном варианте осуществления скорость ролика 18 может быть задана меньшей, чем приблизительно 10 м/мин. В одном варианте осуществления скорость ролика 18 может быть задана в диапазоне от приблизительно 1 м/мин до приблизительно 20 м/мин, например от приблизительно 3 до приблизительно 10 м/мин.
Как правило, для стимулирования образования волокон с практически постоянными размерами поперечного сечения по длине волокна стоит избегать избыточного перемешивания бани 16 в процессе.
В одном варианте осуществления быстрое охлаждение полимера может начинаться сразу после выхода из фильеры для стимулирования кристаллизации полимера, когда тот находится в высоко неориентированном, ненапряженном состоянии, непосредственно после экструзии. Например, в одном варианте осуществления поверхность бани 16 может находиться на минимальном расстоянии от фильеры 14. Например, в варианте осуществления, изображенном на фиг. 2, поверхность бани 16 может находиться на таком расстоянии от фильеры 14, чтобы экструдированное волокно 9 могло входить в баню 16 на расстоянии продольной усадки экструдируемого потока 31 волокна 9. Необязательно, волокно 9 может проходить через нагретую или ненагретую насадку до входа в баню 16. Например, в тех вариантах осуществления, когда расстояние между отверстием и поверхностью бани больше расстояния продольной усадки экструдируемого потока, можно использовать нагретую насадку. В одном варианте осуществления расстояние между фильерой и баней может быть меньше чем приблизительно 2 дюйма (5,08 см). В другом
- 6 019254 варианте осуществления данное расстояние может быть меньше чем приблизительно 1 дюйм (2,54 см) или даже меньше, например меньше чем приблизительно 1/2 дюйма (1,27 см) или меньше чем приблизительно 1/4 дюйма (0,64 см) в некоторых вариантах осуществления.
Ролик 18 и ролик 20 могут находиться внутри бани 16 и транспортировать волокно 9 через баню 16. Время задержки материала в бане 16 может изменяться в зависимости от конкретных материалов, входящих в состав полимерного материала, конкретной скорости транспортировки и т.д. В общем случае, волокно 9 может транспортироваться через баню 16 со временем задержки, достаточным для обеспечения полного охлаждения, т.е. кристаллизации, полимерного материала. Например, в одном варианте осуществления время задержки материала в бане 16 может изменяться в диапазоне от приблизительно 6 секунд до приблизительно 1 мин.
В том месте, где волокно 9 покидает баню 16 или около него, избыток жидкости может удаляться из волокна 9. Данная стадия, как правило, может быть проведена в соответствии с любым процессом, известным в данной области техники. Например, в варианте осуществления, изображенном на фиг. 1, волокно 9 может проходить через серию гуммированных валков 23, 24, 25, 26 для удаления избытка жидкости из волокна. Однако, в качестве альтернативы, можно использовать другие способы. Например, в других вариантах осуществления избыток жидкости может быть удален из волокна 9 при использовании вакуума, процесса экструзии с использованием резиновой прослойки, одного или более воздушных шаберов и т.п.
В одном варианте осуществления на волокно 9 может наноситься смазка. Например, замасливатель может наноситься в камере замасливающего устройства 22, как известно в данной области техники. В общем случае, смазка может наноситься на волокно 9 в случае низкого содержания воды. Например, смазка может наноситься на волокно 9, когда содержание воды в волокне меньше чем приблизительно 75% по массе. На волокно 9 может наноситься любая подходящая смазка. Например, на волокно 9 может наноситься подходящее покрытие на основе масла, такое как Ьито1 РР-912, поставляемый СНоЫДоп Тсс11по1ощс5. 1пс. Нанесение отделочного или смазочного покрытия на волокно в некоторых вариантах осуществления данного изобретения может облегчить обращение с волокном в ходе последующей обработки, а также может уменьшить трение и образование статического заряда на волокне.
После быстрого охлаждения волокна 9 и любых необязательных стадий способа, таких как, например, добавление смазки, волокно можно вытягивать при нагревании. Например, в варианте осуществления, изображенном на фиг. 1, волокно 9 можно вытягивать в печи 43, нагретой до температуры от приблизительно 80°С до приблизительно 190°С. Дополнительно, в данном варианте осуществления вытяжные ролики 32, 34 могут располагаться либо в печи 43, либо вне ее, как известно в данной области техники. В другом варианте осуществления вместо использования печи в качества источника тепла можно нагревать вытяжные ролики 32, 34 так, чтобы вытягивать волокно, пока оно нагревается. Например, вытяжные ролики могут быть нагреты до температуры от приблизительно 80°С до приблизительно 190°С. В другом варианте осуществления волокно можно вытягивать над плитой, нагретой до аналогичной температуры (т.е. от приблизительно 80°С до приблизительно 190°С). В одном варианте осуществления печь, вытяжные ролики, плиту или любой другой подходящий источник тепла можно нагревать до температуры, лежащей в интервале от приблизительно 120°С до приблизительно 170°С.
В соответствии с описанным способом волокно можно вытягивать в первом (или единственном) вытягивании с высокой степенью вытяжки. Например, пучок волокон 28 может быть вытянут со степенью вытяжки (определяемой как отношение скорости второго или последнего вытяжного ролика 34 к скорости первого вытяжного ролика 32), превосходящей приблизительно 10. Например, в одном варианте осуществления степень вытяжки первого (или единственного) вытягивания может лежать в интервале от приблизительно 10 до приблизительно 30. В другом варианте осуществления степень вытяжки может быть больше чем приблизительно 15. Дополнительно волокно можно намотать на ролики 32, 34, как известно в данной области техники. Например, в одном варианте осуществления волокно можно намотать на вытяжные ролики в количестве от приблизительно 5 до приблизительно 15 витков.
Хотя в проиллюстрированном варианте осуществления используется серия вытяжных роликов для вытягивания волокна, будет понятно, что можно необязательно использовать любой подходящий способ, в котором можно приложить к волокну силу так, чтобы удлинить волокно после стадии быстрого охлаждения. Например, для вытягивания волокна можно необязательно использовать любое механическое устройство, включая гуммированные валки, прядильные валки, паровые камеры, воздушные, паровые или другие газовые сопла.
В соответствии с вариантом осуществления, изображенным на фиг. 1, после стадии вытягивания вытянутое волокно 30 может охлаждаться и наматываться на приемный цилиндр 40. В других вариантах осуществления, однако, можно проводить дополнительную обработку вытянутого волокна 30. Например, в одном варианте осуществления вытянутое волокно может подвергаться второму вытягиванию. Как правило, стадия второго вытягивания может проводиться при более высокой температуре, чем первое вытягивание. Например, нагревающий элемент на стадии второго вытягивания можно нагревать до температуры, большей чем температура нагревающего элемента на стадии первого вытягивания на приблизительно 10°С и до приблизительно 50°С. Дополнительно второе вытягивание, как правило, может ха
- 7 019254 рактеризоваться более низкой степенью вытяжки, чем первое вытягивание. Например второе вытягивание может проводиться при степени вытяжки, меньшей чем приблизительно 5. В одном варианте осуществления второе вытягивание может проводиться при степени вытяжки, меньшей чем приблизительно 3. В случае нескольких вытягиваний общая степень вытяжки будет произведением степеней вытяжки каждого отдельного вытягивания, таким образом, первое вытягивание волокна со степенью вытяжки 3 и затем последующее вытягивание со степенью вытяжки 2 будут приводить к вытягиванию со степенью вытяжки 6.
Необязательно вытянутое волокно может подвергаться термической усадке. Например, можно ослабить натяжение волокна или подвергнуть его вытягиванию с очень низкой степени вытяжки (например, степень вытяжки в интервале от приблизительно 0,7 до приблизительно 1,3) и воздействию температуры в интервале от приблизительно 130°С до приблизительно 150°С в течение короткого периода времени, как правило, меньше 3 мин. В некотором варианте осуществления стадия термической усадки может длиться меньше одной минуты, например приблизительно 0,5 с. Данная температура, как правило, может быть выше, чем температура(ы) вытягивания. Данная необязательная стадия термической усадки может служить для фиксации кристаллической структуры волокна после вытягивания. Дополнительно, она может уменьшать тепловую усадку, что может быть желательно в некоторых вариантах осуществления.
В другом варианте осуществления поверхность вытянутого волокна может обрабатываться для улучшения некоторых характеристик волокна, таких как, например, смачиваемость или слипаемость. Например, волокно можно фибриллировать, подвергать обработке плазмой или коронным разрядом или вводить дополнительную поверхностную добавку, что известно в данной области техники, для улучшения физических характеристик волокон.
В варианте осуществления, включающем получение пленки в экструдере, ленточные волокна по данному изобретению могут быть получены из пленки либо до, либо после стадии вытягивания по желанию. Например, в одном варианте осуществления пленка может быть подвергнута вытягиванию, и вытянутая пленка может быть дополнительно обработана для получения ленточных волокон по данному изобретению. В другом варианте осуществления пленку можно сначала обрабатывать для получения ленточных волокон, а затем полученные волокна можно вытягивать, как описано выше для моноволокна 9. В любом случае, ленточные волокна можно отрезать или получить из пленки в соответствии с любым способом, известным в данной области техники, включая, например, при использовании металлических лезвий, дисковых ножей и т.п.
В общем случае, законченное волокно 30 можно, как показано, наматывать на катушку или намоточный барабан 40 и транспортировать в другое место для получения вторичного продукта. В альтернативном варианте осуществления, однако, волокно можно подавать во вторую линии обработки, где волокно может быть дополнительно обработано для получения вторичного продукта, такого как, например, тканый материал.
Полипропиленовые волокна по данному изобретению, как правило, могут иметь номинальный размер, лежащий в диапазоне от приблизительно 100 денье до приблизительно 50000 денье. В другом варианте осуществления волокна по данному изобретению могут иметь номинальный размер, лежащий в диапазоне от приблизительно 300 денье до приблизительно 10000 денье. Выгодно, что описанное моноволокно может обладать высокой прочностью на разрыв и модулем упругости, как было измерено Л8ТМ Ό2256-02, включенным здесь посредством ссылки, по сравнению с другими уже известными полипропиленовыми моноволокнами и ленточными волокнами. Например, описанные волокна могут иметь прочность на разрыв, большую чем приблизительно 7 г/денье. В одном варианте осуществления волокна могут иметь прочность на разрыв, большую чем приблизительно 8 г/денье, большую чем приблизительно 9 г/денье или даже большую чем приблизительно 10 г/денье.
Дополнительно, волокна по данному изобретению могут иметь высокий модуль упругости, в общем случае превышающий приблизительно 125 г/денье (10 ГПа). Например, описанные волокна могут обладать модулем упругости, большим чем 150 г/денье (12 ГПа), в одном варианте осуществления. В другом варианте осуществления описанные волокна могут иметь модуль упругости, например, превышающий приблизительно 175 г/денье (14 ГПа) или превышающий приблизительно 200 г/денье (16 ГПа), превышающий приблизительно 225 г/денье (18 ГПа) или превышающий приблизительно 250 г/денье (20 ГПа) в некоторых вариантах осуществления.
Дополнительно описанное волокно может обладать относительно низкими характеристиками удлинения. Например, волокно по данному изобретению может проявлять процентное относительное удлинение образца при разрыве, меньшее чем приблизительно 15%, как измерено Л8ТМ Ό2256-02. В другом варианте осуществления волокно может проявлять удлинение, меньшее чем приблизительно 10%, например меньшее чем приблизительно 8% в некоторых вариантах осуществления. В одном варианте осуществления волокно может проявлять даже меньшее удлинение, например, меньшее чем 6%.
Также считается, что волокна по изобретению обладают уникальной кристаллической структурой по сравнению с другими уже известными пропиленовыми моноволокнами и ленточными волокнами. Существует несколько широко распространенных способов измерения молекулярной ориентации в ори
- 8 019254 ентированных полимерных системах, среди которых рассеяние света или рентгеновских лучей, измерение поглощения, анализ механических свойств и т.п. Количественные способы включают рентгеновское рассеяние в широком угловом диапазоне (^АХ8) и малоугловое рентгеновское рассеяние (8АХ8).
При использовании техник \УАХ8 и 8АХ8 можно показать, что описанные волокна являются высококристалличными и высокоориентированными, со слабовыраженной пластинчатой структурой или ее отсутствием. В частности, волокна могут обладать кристалличностью, превосходящей приблизительно 80% в соответствии с данными измерительных техник \УАХ8. описанных ниже. Например, на фиг. 5 изображена диаграмма рассеяния \ХАХ8 единичного моноволокна, полученного в соответствии с описанным здесь способом. В частности, волокно было экструдировано при 300°С через фильеру с отверстием диаметра 0,0360 дюйма (0,9144 мм), быстро охлаждено в водяной бане при 70°С и подвергнуто одному вытягиванию со степенью вытяжки, равной 16,25.
Вытянутое волокно имело массовый номер волокна, равный 747 г/9000 м. Как можно видеть на чертеже, где 0ф параллельна нити, 2Θ аморфной области описанных нитей может составлять от 10 до 30, а ф - от 60 до 90 (темная область в нижней части фиг. 5), 2Θ кристаллической области может составлять от 10 до 30, а ф - от -15 до 15 (включая яркие пятна по бокам фиг. 5). Таким образом, при интегрировании интенсивности рассеянных рентгеновских лучей в кристаллической и аморфной областях, кристалличность нити может быть получена как
ДгеШ (Ιχ) где 1х представляет собой интенсивность в кристаллической области и
1а представляет собой интенсивность в аморфной области.
Дополнительно, полиолефиновые нити по данному изобретению могут быть высокоориентированными, что следует из небольшой ширины пиков \ХАХ8 на фиг. 5.
Фиг. 6 представляет собой диаграмму 8АХ8 другой нити, полученной в соответствии с тем же способом, что и нить, показанная на фиг. 5. Удивительно, что ни одна из ожидаемых структур, относящихся к кристаллической форме, ориентированности и аморфным областям, не видна на чертеже, и оказывается, что волокно совсем не имеет настоящих аморфных областей, а полностью составлено из кристаллических областей и высокоориентированных аморфных областей.
Диаграммы 8АХ8 моноволокон, полученных в соответствии с уже известными способами, как правило, включают чередующиеся кристаллические и аморфные области, что проиллюстрировано яркими пятнами с высокой интенсивностью рассеянных лучей по оси нити (см., например, Ро1ургору1епе ИЬега 8с1еисе апб Тесйпо1о§у, М. Айтеб, Е18еу1ет Заепййе РиЫщйтд Сотрапу, 1982, рр. 192-203, включенную здесь посредством ссылки). Положение этих пятен можно использовать для получения длиннопериодических расстояний между повторяющимися кристаллическими областями. Отсутствие данных пятен на фиг. 6 указывает на то, что любые аморфные области волокна по изобретению на фиг. 6 имеют практически одинаковую электронную плотность с кристаллическими регионами и, таким образом, состоят из плотных высокоориентированных аморфных цепей или полностью отсутствуют. В сочетании с диаграммой \ХАХ8 на фиг. 5, которая указывает на то, что интенсивность в аморфной области составляет по крайней мере 15%, можно предположить, что аморфные области приведенных волокон наиболее вероятно состоят из высокоориентированных цепей.
Дополнительно, экваториальное рассеяние на диаграммах 8АХ8, в общем случае, возникает от центра перпендикулярно к оси волокна и приводит к появлению длинной тонкой полоски, выходящей из центра в каждом направлении. В волокнах по изобретению и во всех последующих отсылках к Фиг. 6 данные полоски экваториального рассеяния значительно увеличились до такой степени, что их скорее можно описывать как крылья. Данное экваториальное рассеяние обусловлено фибрилляцией кристаллических сегментов в более ярко выраженные игловидные ансамбли. Длинная экваториальная полоска обусловлена высокой концентрацией цилиндрических дендритных структур в волокне с ламелями, упорядоченных среди или вокруг шишей в виде кебабов. Данные полоски, как правило, появляются в случаях более высокой вытяжки, таких как в данном изобретении.
Как можно видеть из фиг. 6, волокна по данному изобретению, полученные на низкой скорости образования и при условиях высокой вытяжки, могут обуславливать появление практически отсутствующего меридионального отражения и экваториального рассеяния, которое так сильно, что отношение интенсивности экваториального рассеяния к интенсивности меридионального высоко, но при этом остается сильный контраст плотностей, о чем свидетельствует общая интенсивность.
В общем случае волокна по данному изобретению могут иметь характеристики 8АХ8, включая отношение экваториальной интенсивности к меридиональной, превышающие приблизительно 1,0. В одном варианте осуществления данное отношение может быть выше чем приблизительно 1,5 или даже выше в других вариантах осуществления, например выше чем приблизительно 3,0. Например, в одном конкретном варианте осуществления было обнаружено, что экваториальная интенсивность составляет 45642, а меридиональная интенсивность составляет 29649, что приводит к отношению в 1,54. Волокна, как правило, могут обладать экваториальной интенсивностью, интегрированной по 2Θ от приблизительно 0,4 до
- 9 019254 приблизительно 1,0 и по φ от приблизительно 60 до приблизительно 120 и от приблизительно 240 до приблизительно 300 (ось φ параллельна волокну или горизонтальна, как в случае фиг. 6). Дополнительно волокна могут обладать меридиональной интенсивностью, интегрированной по 2Θ от приблизительно 0,4 до приблизительно 1,0 и по φ от приблизительно -60 до приблизительно 60 и от приблизительно 120 до приблизительно 240.
В соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения описанные волокна можно использовать в качестве армирующего материала в матрице. В других вариантах осуществления после получения вытянутых волокон в соответствии с описанными способами волокно может дополнительно обрабатываться перед использованием в качестве армирующего материала в матрице. Например, волокна по данному изобретению могут быть измельчены, фибриллированы, сплющены, согнуты или деформированы каким-либо другим образом, как известно в данной области техники. После любых желаемых способов, следующих за получением, отдельные волокна можно соединять с матричным материалом, а в одном конкретном варианте осуществления - со структурным матричным материалом, для получения композиционного материала, пригодного для получения структуры, которая может обладать улучшенными прочностными характеристиками по сравнению со структурным матричным материалом, который не включает описанные волокна.
Соответственно, в одном варианте осуществления данное изобретение направлено на композиционные материалы, включающие описанные волокна, в которых волокна могут служить для усиления прочностных характеристик отвержденного матричного материала. В частности, описанные волокна могут выступать в качестве вторичных армирующих материалов для отвержденной структуры и улучшать как прочность (способность отвержденной матрицы сопротивляться возникновению трещин), так и изломостойкость (способность структуры сопротивляться расширению существующей в структуре трещины) матрицы. Для целей данного раскрытия стоит отличать вторичное армирование от первичного армирования, которое относится к поддержанию структурной матрицы в способе отвердевания.
В одном варианте осуществления композиционные материалы могут включать множество относительно коротких волокон, диспергированных в матрице. Например, композиционные материалы по данному изобретению могут включать множество моноволокон и/или ленточных волокон, описанных здесь, которые были отрезаны или измельчены до такой степени, чтобы их длина была меньше чем приблизительно 5 дюймов (12,7 см). В одном варианте осуществления длина волокон может быть меньше чем приблизительно 3 дюйма (7, 62 см), например, меньше чем приблизительно 1 дюйм (2,54 см), и данные волокна соединяют со структурным матричным материалом для получения прочного композиционного материала.
При желании, волокна по данному изобретению могут сочетаться с другими армирующими волокнами для получения описанных композиционных материалов. Например, некоторое количество описанных волокон и некоторое количество одного или более любых других типов армирующего волокна, что известно в данной области техники, может соединяться с матричным материалом для получения композиционного материала, как описано здесь. Неограничивающий список других типов армирующих волокон может включать, например, стальные волокна, углеродные волокна, волокна типа Кеу1аг® (полипарафенилентерефталамидные), сверхвысокомолекулярные полиэтиленовые волокна, волокна на основе жидкокристаллических полимеров, волокна на основе поливинилового спирта и стекловолокна.
Подходящим матричным материалом, как правило, могут быть любые материалы, обычно используемые для получения трехмерной структуры. Например, матричные материалы могут включать как органические, так и неорганические матричные материалы. Неограничивающий список типовых матричных материалов, которые могут сочетаться с описанными волокнами для получения армированного композиционного материала, может включать вяжущие вещества, асфальты, пластмассы, каучуки и гидратируемые цементные композиции, включая свежеприготовленный или приготовленный на заводе бетон, бетонную кладку, торкрет-бетон, битумный бетон, гипсовые композиции, огнезащитные композиции на основе цемента и т.п. Данное изобретение показало себя наиболее выгодным в одном варианте осуществления, касающемся армирования хрупких материалов, таких как, например, бетоны и гипсы, за счет значительных улучшений в остаточном сопротивлении обычных хрупких материалов при сочетании с описанными волокнами и получении композиционных материалов.
В общем случае различные составные материалы описанных композитов можно смешивать, отверждать и/или обрабатывать каким-либо другим образом в соответствии с любым стандартным способом, известным в данной области техники. Например, композиционный материал можно по желанию получать при периодическом смешивании или непрерывно. Конкретные способы смешивания и отверждения, как правило, могут зависеть от характеристик матричных материалов. Например, композиционным материалам можно просто позволить отверждаться в течение некоторого времени в той среде, в которой они были получены, или, в качестве альтернативы, их можно подвергнуть термическому отверждению. В одном варианте осуществления композиционные материалы могут включать сшивающий агент, действие которого может быть инициировано действием определенных условий. Например, композиционные материалы могут включать любой из множества фотоинициируемых сшивающих агентов, известных в дан
- 10 019254 ной области техники, и композит может отверждаться под действием света с конкретной длиной волны. В одном варианте осуществления композиционный материал может включать любой из множества известных эпоксидных или оксирансодержащих материалов, которые могут выступать в качестве сшивающих для отверждения описанных композиционных материалов.
Композиционные материалы по данному изобретению могут обладать улучшенными структурными характеристиками по сравнению с уже известными композиционными материалами, в которых используются другие армирующие материалы. Хотя не стоит ограничиваться какой-либо конкретной теорией, считается, что улучшенные армирующие характеристики, проявляемые описанными композиционными материалами, обусловлены не только улучшенными механическими характеристиками отдельных волокон, т.е. модулем упругости, прочностью на разрыв, пониженной эластичностью и т.д., но также и тем фактом, что данные улучшенные механические характеристики приводят к значительно меньшей вероятности молекулярного смещения в композите. Другими словами, благодаря улучшенной природе самих волокон композит может обладать улучшенными прочностными характеристиками. Однако дополнительно вероятность смещения улучшенных волокон в отвержденных композиционных материалах ниже, и, таким образом, композит также может обладать улучшенной изломостойкостью по сравнению с композитами, включающими уже известные армирующие материалы на основе волокон.
Более того, также считается, что высокая кристалличность волокон может стимулировать сохранение сгибов или деформаций, что, в свою очередь, также может снизить межмолекулярное смещение, происходящее в волокне. Более конкретно, в одном варианте осуществления такие сгибы или деформации можно создать в способе смешивания и соединения матричного материала с волокном, например, в способе соединения волокон с бетоном, содержащим крупнодисперсный или мелкодисперсный заполнитель, в бетономешалке или другом механизме для перемешивания. В других вариантах осуществления, однако, предусмотрены другие способы создания деформаций, и конкретный способ деформирования волокна не критичен для данного изобретения. В любом случае, считается, что высокая кристалличность волокон по изобретению может приводить к лучшему сохранению данных сгибов или деформаций, так что волокна по изобретению предпочтительно связываются с матричным материалом и композиционный материал может обладать улучшенными вторичными армирующими характеристиками.
Соответственно, композиционные материалы по данному изобретению могут обладать улучшенными прочностными характеристиками, включая, например, улучшенные характеристики средней остаточной прочности (СОП) (как было измерено в соответствии с Л8ТМ С1399-04, включенной здесь посредством ссылки) и/или улучшенные характеристики прочности на сжатие, по сравнению с уже известными композиционными материалами, включающими аналогичные или даже более длинные армирующие волокна при таких же или даже больших значениях загрузки волокна. Например, композиционный материал, включающий нефибриллированые, достаточно круглые 0,75-дюймовые (19б 05 мм) моноволокна, полученные в соответствии с данным изобретением, при значении загрузки волокна, равном 3 фунта на кубический ярд (фунт/ярд3) (1,78 кг/м3), могут проявлять значение СОП, большее чем 0,3 МПа, или большее чем 0,5 МПа, при более высокой загрузке волокна, например, равной приблизительно 6 фунт/ярд3.
Прочности на сжатие композиционных материалов также могут оказаться улучшенными по сравнению с уже известными материалами. Например, при относительно низких дозировках, например, равных приблизительно 3 фунт/ярд3 (1,78 кг/м3), композиционные материалы, включающие волокна по данному изобретению, длина которых составляет приблизительно 1 дюйм (2,54 см) или больше, могут обладать прочностью на сжатие (как измерено при помощи стандартного способа тестирования Л8ТМ С39/С39М04а), превышающей приблизительно 44 МПа. При более высоких уровнях загрузки прочность на сжатие описанных материалов может быть даже больше при любом значении загрузки волокна. Например, при уровнях загрузки волокна в приблизительно 6 фунт/ярд3 (3,56 кг/м3) или больше композиционные материалы по данному изобретению могут обладать прочностью на сжатие, превышающей приблизительно 50 МПа, даже в случае достаточно коротких (например, приблизительно 3/4 дюйма (19,05 мм)) волокон.
Более высоких физических характеристик можно достичь, когда композиционный материал включает несколько более длинные волокна по данному изобретению, например, 1,5-дюймовые (3,81 см) волокна. Например, значение СОП может быть значительно выше, например, выше чем приблизительно 0,8 МПа при значении загрузки волокна, равном 3 фунт/ярд3 (1,78 кг/м3), или выше чем 1,0 при загрузке, равной приблизительно 6 фунт/ярд3 (3,56 кг/м3).
В одном варианте осуществления волокна по данном изобретению могут быть дополнительно обработаны, например, так, чтобы включать фибриллы, сгибы, крючки и т.п. Например, волокна могут быть сделаны шероховатыми, сплющены, согнуты или деформированы каким-либо другим образом в соответствии с любым подходящим способом, известным специалисту в данной области техники. В соответствии с данным вариантом осуществления описанные композиционные материалы могут обладать даже более высокими прочностными характеристиками, например, значение СОП может быть больше чем приблизительно 1,0 МПа при значении загрузки волокна, равном приблизительно 3 фунт/ярд3 (1,78 кг/м3), в случае, когда длина волокон меньше чем приблизительно два дюйма.
Дополнительно к увеличению значений загрузки волокна, улучшенных прочностных характеристик
- 11 019254 можно также достичь при помощи увеличения длины волокон, включенных в композиционные материалы по данному изобретению. Например, можно использовать относительно низкое значение загрузки волокна, например меньшее чем приблизительно 10 фунт/ярд3 (5,9 кг/м3), и можно использовать более длинные волокна, например, длина которых составляет от приблизительно 2 дюймов (5,08 см) до приблизительно 5 дюймов (12,7 см), и могут быть достигнуты очень высокие прочностные характеристики, например значение СОП может быть больше чем приблизительно 1,5 МПа в одном варианте осуществления или даже больше, например, больше чем приблизительно 1,8 МПа или больше чем приблизительно 2,0 МПа в некоторых вариантах осуществления.
Как минимум частично вследствие улучшенных характеристик описанных армирующих волокон в одном варианте осуществления описанного изобретения может быть достигнута заранее заданная прочность и/или изломостойкость композиционного структурного материала, при этом к композиту необходимо добавить меньшее общее количество армирующего материала на основе волокон по сравнению с уже известными армированными полимерными композиционными материалами, обладающими сходными прочностными характеристиками. Таким образом, дополнительно к очевидной экономической выгоде при получении структурного материала, описанные способ и материалы можно также использовать для предотвращения агрегации или комкования армирующих материалов в матрице в ходе получения композита. В частности, агрегация или комкование армирующего материала проявляет склонность к увеличению с ростом значений загрузки волокна и длины волокна. Соответственно, описанные композиционные материалы могут характеризоваться лучшим, более гомогенным распределением армирующих волокон в матрице, что также может приводить к улучшенным прочностным характеристикам отвержденных композиционных материалов.
Данное изобретение можно лучше понять при помощи отсылки к следующим примерам.
Пример 1. Моноволокно было получено в системе, включающей 3/4-дюймовый (19,05 мм) 24:1 одночервячный экструдер с тремя температурными зонами, головку с насосом плавления и фильерой, бак длиной 40 дюймов (1,046 м) для быстрого охлаждения в жидкости с двумя роликами, вакуумную систему для удаления воды, замасливающее устройство, три нагретых прядильных валка, печь с принудительной подачей воздуха длиной 120 дюймов (3,048 м) и моталку Ьеекопа.
1,3 МРР полипропиленовый гомополимер ЛюПпа® 3281 смешивали при массовом соотношении 98:2 с 10% концентратом зародышеобразователя МШаб® 3988 (3,4-диметилдибензилиденсорбит). Материалы в форме гранул смешивали и помещали для смешивания расплава и экструзии в экструдере.
Температуры экструдера задавали следующими: зона 1 - 110°С, зона 2 - 250°С, зона 3 - 300°С. Расплав экструдировали через фильеру с одним отверстием диаметром 0,0360 дюйма. Как формирующую головку, так и формирующий мундштук нагревали до 300°С. Жидкость для быстрого охлаждения представляла собой воду и была нагрета до 70°С. Температуру печи задавали равной 160°С и ни один из прядильных валков не нагревали. Скорости вращения прядильных валков задавали равными 7 м/мин, 8 м/мин и 130 м/мин, соответственно. Волокно скользило по первому валку, так что реальная степень вытяжки одного вытягивания составляла 16,25. На волокно не наносили замасливатель.
Насос для расплава настраивали таким образом, чтобы вырабатывать нить при 700 денье. Полученное таким образом волокно обладало средней прочностью на разрыв, равной 7,4 г/денье (592 МПа), и удлинением в 6,6%, как было измерено Л8ТМ Ό2256-02, включенном здесь посредством ссылки. Было обнаружено, что модуль упругости волокна равен 165 грамм/денье (13,2 ГПа), как измерено при помощи того же самого теста.
Пример 2. Волокна, полученные, как описано выше, отрезали при помощи ножниц для стеклянных жгутов модели 90 Ρίηη & Ргат, 1пс. таким образом, чтобы их длина составляла 3/4 дюйма (19,05 мм). Волокна смешивали с бетоном, полученным в соответствии со следующими компонентами и массовыми дозами:
Номер смеси
Портландцемент, кг (фунты)
Зольная пыль, кг (фунты)
Добавка: волокно 1ппе^п1у, 3/4 дюйма, кг Мелкодисперсный заполнитель, кг (фунты) Крупнодисперсный заполнитель, кг (фунты) Вода, кг (фунты)
306,8(517)
Нет
1,36 (3,0) (фунты)
619(1365)
771(1700)
117
Смесь номер 2 была идентичной, за исключением того, что количество волокна составляло 2,72 кг (6,0 фунтов). Использовали портландцемент Типа 1 (Л8ТМ С150). Мелкодисперсный заполнитель представлял собой природный песок от 8Ые1у Лддтеда1е8, соответствующий требованиям Л8ТМ С33 и С494. Крупнодисперсный заполнитель представлял собой известняк размера Νο.57 от 8Ые1у Лддтеда1е8, соответствующий требованиям Л8ТМ 33 и С494.
Бетон отливали в формах и тестировали на остаточное сопротивление и среднюю остаточную прочность в соответствии с Л8ТМ С1399-04, уже включенном здесь посредством ссылки, после отвердевания
- 12 019254 в течение 28 дней. Результаты представлены ниже в табл. 1 и на фиг. 3 и 4. Также приготавливали контрольный образец бетона, идентичный композиционным материалам за исключением любых армирующих волокон. Осадка контрольного образца составляла 53/4 дюйма (146 мм), содержание воздуха составляло 2,4%, удельный вес был равен 148,4 фунт/фут3(2376 кг/м3), а прочность на сжатие составляла 5800 фунт/дюйм2 (40,0 МПа).
Таблица 1
Загрузка волокна 3 фунт/ярд3 6 фунт/ярд3
Осадка, дюйм (мм) 2 2,4 (70) 3(76)
Содержание воздуха (%) 2,3 3,2
Удельный вес, фунт/фут3 (кг/м3) 148 (2370) 149, 6 (2395)
Прочность на сжатие, фунт/дюйм2 (МПа) 5300 (36,5) 7700 (53.1)
Ширина образца, дюйм (мм) 4,07 (103) 4,10(104)
Глубина образца, дюйм (мм) 4,00 (102) 4,00 (102)
Тестовый участок, дюйм (мм) 12,00 (305) 12,00 (305)
Нагрузка при прогибе в 0,02 дюйма (0,51 мм) 267,8(1191) 438,5 (1950)
Нагрузка при прогибе в 0,03 дюйма (0,76 мм) 272,1 (1210) 461,8(2054)
Нагрузка при прогибе в 0,04 дюйма (1,02 мм) 272,6(1213) 440,6 (1960)
Нагрузка при прогибе в 0,05 дюйма (1,27 мм) 271,8(1209) 425,0(1890)
СОП, фунт/дюйм2 (МПа) 50 (0,35) 81 (0,56)
Пример 3. Волокна, полученные, как описано выше, отрезали при помощи ножниц для стеклянных жгутов модели 90 Ρίηη & Ргаш, 1пс. таким образом, чтобы их длина составляла 1,5 дюйма (3,81 см). Волокна смешивали с бетоном, имеющим то же самое соотношение компонентов, что и в примере 2, при двух значениях загрузки волокна, 3 фунт/ярд (1,78 кг/м3) и 6 фунт/ярд3 (3,56 кг/м3), и тестировали на нагрузку при прогибе и среднюю остаточную прочность в соответствии с Л8ТМ С1399-04, уже включенном здесь посредством ссылки. Результаты приведены ниже в табл. 2 и на фиг. 3 и 4.
Таблица 2
Загрузка волокна 3 фунт/ярд3 6 фунт/ярд2
Осадка, дюйм (мм) 3 1/4 (83) 3(76)
Содержание воздуха (%) 2,8 3,2
Удельный вес, фунт/фут3 (кг/м3) 148,9 (2384) 148,3 (2375)
Прочность на сжатие, фунт/дюйм2 (МПа) 6500 (44,8) 7600 (52,4)
Ширина образца, дюйм (мм) 4,13 (105) 4,08 (104)
Глубина образца, дюйм (мм) 4,00(102) 4,00 (102)
Тестовый участок, дюйм (мм) 12,00 (305) 12,00 (305)
Нагрузка при прогибе в 0,02 дюйма (0,51 мм) 662,0 (2945) 787,1 (3501)
Нагрузка при прогибе в 0,03 дюйма (0,76 мм) 658,6 (2930) 820,8 (3651)
Нагрузка при прогибе в 0,04 дюйма (1,02 мм) 645,1 (2869) 823,36 (3662)
Нагрузка при прогибе в 0.05 дюйма (1,27 мм) 644,0 (2865) 825,1 (3670)
СОП, фунт/дюйм2 (МПа) 119(0,82) 149(1,03)
Пример 4. Волокна, полученные, как описано выше, отрезали вручную таким образом, чтобы их длина составляла 2,25 дюйма. Волокна смешивали с бетоном, имеющим то же самое соотношение компонентов, что и в примере 2. Волокна смешивали при трех значениях загрузки волокна, 3 фунт/ярд3 (1,78 3 3 3 3 3 кг/м ), 6 фунт/ярд (3,56 кг/м ) и 9 фунт/ярд (5,33 кг/м ), и тестировали на нагрузку при прогибе и среднюю остаточную прочность в соответствии с Л8ТМ С1399-04, уже включенном здесь посредством ссылки. Результаты приведены ниже в табл. 3 и на фиг. 3 и 4.
- 13 019254
Таблица 3
Будет понятно, что вышеупомянутые примеры, приведенные с целью демонстрации, не стоит толковать как ограничивающие объем данного изобретения. Хотя выше было подробно описано только несколько типовых вариантов осуществления данного изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в типовые варианты осуществления можно внести множество модификаций, не отходя существенно от новых идей и преимуществ данного изобретения. Соответственно, все такие модификации подразумеваются включенными в объем данного изобретения, который определен в следующей формуле изобретения и всех эквивалентах последней. Дополнительно, понятно, что можно сформулировать множество вариантов осуществления, которые не имеют всех преимуществ некоторых вариантов осуществления, хотя отсутствие конкретного преимущества не должно толковаться как обязательно обозначающее то, что такой вариант осуществления выходит за рамки объема данного изобретения.

Claims (14)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Композиционный материал, включающий матричный материал и множество диспергированных в матричном материале отдельных полимерных волокон, имеющих длину менее чем 130 мм (5 дюймов), выбранных из группы, состоящей из полипропиленовых гомополимерных волокон, полипропиленовых сополимерных волокон и их смесей, причем волокна обладают, по меньшей мере, следующими свойствами:
    а) модулем упругости, превышающим 10 ГПа, и удлинением менее чем 10% и
    б) отношением экваториальной интенсивности к меридиональной интенсивности, превышающим 1,0, в соответствии с измерением, проводимым методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (8ΆΧ8), и при этом композиционный материал обладает средней остаточной прочностью, превышающей 0,80 МПа при значении загрузки волокна, составляющей от 1,2 до 5,3 кг волокна на кубический метр (от 2 до 9 фунтов волокна на кубический ярд) матричного материала.
  2. 2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал обладает средней остаточной прочностью, превышающей 1,5 МПа.
  3. 3. Композиционный материал по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что матричный материал представляет собой неорганический материал.
  4. 4. Композиционный материал по п.3, отличающийся тем, что указанный неорганический материал выбран из группы, состоящей из бетона, гипса или любой их смеси.
  5. 5. Композиционный материал по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что композиционный материал обладает средней остаточной прочностью, превышающей 1,75 МПа.
  6. 6. Композиционный материал по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что волокна выбраны из группы, состоящей из моноволокна, ленточных волокон, фибриллированного волокна, деформированного волокна и любой их комбинации.
  7. 7. Композиционный материал по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что волокна включают в себя волокна, длина которых меньше чем 7,62 см.
    - 14 019254
  8. 8. Композиционный материал по любому из пп.1-7, дополнительно включающий второе множество отдельных волокон, выбранных из группы, состоящей из стальных волокон, углеродных волокон, полипарафенилен-терефталамидных волокон, сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон, волокон на основе жидкокристаллических полимеров, волокон на основе поливинилового спирта и стекловолокна.
  9. 9. Композиционный материал по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что материал обладает прочностью на сжатие, превышающей 50 МПа.
  10. 10. Композиционный материал по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что указанные полимерные волокна представляют собой полипропиленовые гомополимерные волокна.
  11. 11. Композиционный материал по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что полипропиленовые волокна обладают кристалличностью, превышающей 80%, в соответствии с измерением, проводимым методом широкоуглового рассеяния рентгеновских лучей (^ЛХ8).
  12. 12. Композиционный материал по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что полипропиленовые волокна имеют отношение экваториальной интенсивности к меридиональной интенсивности, превышающее 1,5, в соответствии с измерением, проводимым методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (8АХ8).
  13. 13. Композиционный материал по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что полипропиленовые волокна фибриллированы или деформированы.
  14. 14. Способ получения композиционного материала по любому из пп.1-13, включающий получение указанного множества отдельных полипропиленовых волокон, аксиальная длина которых меньше чем 130 мм (5 дюймов), причем волокна имеют отношение экваториальной интенсивности к меридиональной интенсивности, превышающее 1,0, в соответствии с измерением, проводимым методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (8ЛХ8);
    соединение множества отдельных полипропиленовых волокон с матричным материалом таким образом, что волокна диспергированы в матричном материале с получением композиционного материала, включающего матричный материал и полипропиленовые волокна;
    отверждение композиционного материала и деформирование волокон на стадии соединения полипропиленовых волокон с матричным материалом, причем указанные волокна имеют модуль упругости, превышающий 10 ГПа, и удлинение менее чем 10%.
EA200702449A 2005-06-10 2006-06-01 Композиционный материал и способ его получения EA019254B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/149,887 US7445834B2 (en) 2005-06-10 2005-06-10 Polypropylene fiber for reinforcement of matrix materials
PCT/US2006/021201 WO2006135574A2 (en) 2005-06-10 2006-06-01 Polypropylene fiber for reinforcement of matrix materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA200702449A1 EA200702449A1 (ru) 2008-02-28
EA019254B1 true EA019254B1 (ru) 2014-02-28

Family

ID=37524424

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA200702449A EA019254B1 (ru) 2005-06-10 2006-06-01 Композиционный материал и способ его получения

Country Status (4)

Country Link
US (2) US7445834B2 (ru)
EP (1) EP1888830B8 (ru)
EA (1) EA019254B1 (ru)
WO (1) WO2006135574A2 (ru)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8513147B2 (en) 2003-06-19 2013-08-20 Eastman Chemical Company Nonwovens produced from multicomponent fibers
US7892993B2 (en) 2003-06-19 2011-02-22 Eastman Chemical Company Water-dispersible and multicomponent fibers from sulfopolyesters
US20040260034A1 (en) 2003-06-19 2004-12-23 Haile William Alston Water-dispersible fibers and fibrous articles
US7445834B2 (en) * 2005-06-10 2008-11-04 Morin Brian G Polypropylene fiber for reinforcement of matrix materials
EP1948438A4 (en) * 2005-11-14 2010-04-07 Polymer Group Inc Composite reinforcing fiber with improved bending properties, pourable products therefor and method
US20080081528A1 (en) * 2006-09-29 2008-04-03 Carter H Landis High impact strength, fire resistant woven article
US8512519B2 (en) 2009-04-24 2013-08-20 Eastman Chemical Company Sulfopolyesters for paper strength and process
US9273417B2 (en) 2010-10-21 2016-03-01 Eastman Chemical Company Wet-Laid process to produce a bound nonwoven article
CA2829935A1 (en) 2011-03-24 2012-09-27 Paul Kucera Fertilizer composition incorporating fibrous material for enhanced particle integrity
US8840757B2 (en) 2012-01-31 2014-09-23 Eastman Chemical Company Processes to produce short cut microfibers
RU2495062C1 (ru) * 2012-05-04 2013-10-10 Олег Иванович Супруненко Эластомерный материал на основе бутилкаучука для корпуса маски фильтрующего противогаза
US9303357B2 (en) 2013-04-19 2016-04-05 Eastman Chemical Company Paper and nonwoven articles comprising synthetic microfiber binders
WO2014190259A2 (en) 2013-05-24 2014-11-27 Tex Tech Industries, Inc. Puncture resistant material
US9524570B1 (en) 2013-09-23 2016-12-20 The Boeing Company Visualizing real time production status
US9605126B2 (en) 2013-12-17 2017-03-28 Eastman Chemical Company Ultrafiltration process for the recovery of concentrated sulfopolyester dispersion
US9598802B2 (en) 2013-12-17 2017-03-21 Eastman Chemical Company Ultrafiltration process for producing a sulfopolyester concentrate
US9468824B1 (en) * 2014-04-03 2016-10-18 Epoch Lacrosse Llc Lacrosse mesh
EP3034659A1 (en) * 2014-12-17 2016-06-22 Redco NV Improved polypropylene fibers, methods for producing the same and uses thereof for the production of fiber cement products
JP6578200B2 (ja) * 2015-12-22 2019-09-18 Ｔｏｙｏ Ｔｉｒｅ株式会社 高分子材料中の充填剤構造解析方法
US10913022B2 (en) 2017-03-29 2021-02-09 Knowlton Technologies, Llc Process for utilizing a high efficiency synthetic filter media
US11022571B2 (en) 2019-05-30 2021-06-01 The Boeing Company X-ray scattering method and system for non-destructively inspecting bond line and porosity
CN112899877A (zh) * 2020-05-19 2021-06-04 国际竹藤中心 一种竹纤维成毡机
US20220119186A1 (en) * 2020-10-19 2022-04-21 Graham Williams Container for transporting temperature-controlled items

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4979992A (en) * 1986-06-09 1990-12-25 Aktieselskabetarlborg Portland-Cement-Fabrik Compact reinforced composite
US20010050032A1 (en) * 1990-06-19 2001-12-13 Dry Carolyn M. Self-repairing, reinforced matrix materials
US20030044592A1 (en) * 2001-08-22 2003-03-06 3M Innovative Properties Company Toughened cementitious composites
US20030082378A1 (en) * 2001-04-25 2003-05-01 W.R. Grace & Co.-Conn. Cementitious compositions having highly dispersible polymeric reinforcing fibers
US6753081B1 (en) * 2001-02-21 2004-06-22 Forta Corporation Fiber reinforcement material, products made therefrom, and method for making the same
US20050019565A1 (en) * 2002-11-16 2005-01-27 Morin Brian G. Polypropylene monofilament and tape fibers exhibiting certain creep-strain characteristics and corresponding crystalline configurations

Family Cites Families (47)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US541554A (en) * 1895-06-25 kundtz
US534574A (en) * 1895-02-19 Ice-velocipede
US4536536A (en) * 1982-03-19 1985-08-20 Allied Corporation High tenacity, high modulus polyethylene and polypropylene fibers and intermediates therefore
FR2575744B1 (fr) * 1985-01-10 1991-10-25 Inst Nat Sciences Appliq Lyon Materiau composite pour la construction a base de pouzzolanes de synthese, et procede de fabrication
US4663101A (en) * 1985-01-11 1987-05-05 Allied Corporation Shaped polyethylene articles of intermediate molecular weight and high modulus
ES2023813B3 (es) * 1985-11-07 1992-02-16 Akzo Nv Elemento reforzador de material sintetico para uso en hormigon reforzado, mas particularmente hormigon pretensado, hormigon reforzado provisto de tales elementos de refuerzo y proceso para fabricar elementos de refuerzo, y hormigon reforzado y pretensado.
JP2506365B2 (ja) * 1987-04-10 1996-06-12 株式会社クラレ セメントモルタル又はコンクリ−ト補強用繊維及び該繊維を使用した組成物
DK514687D0 (da) * 1987-09-30 1987-09-30 Danaklon As Polymerfibre og fremgangsmaade til fremstilling deraf
DK695688D0 (da) * 1988-12-14 1988-12-14 Danaklon As Fibre og materiale indeholdende samme
US4935301A (en) * 1988-12-16 1990-06-19 Exxon Research And Engineering Compnay Coated glass fiber composites
JPH0764593B2 (ja) * 1989-08-23 1995-07-12 日本電気硝子株式会社 耐アルカリ性ガラス繊維組成物
US5456752A (en) * 1991-04-02 1995-10-10 Synthetic Industries Graded fiber design and concrete reinforced therewith
US5628822A (en) * 1991-04-02 1997-05-13 Synthetic Industries, Inc. Graded fiber design and concrete reinforced therewith
JP2633763B2 (ja) * 1991-10-01 1997-07-23 大和紡績株式会社 セメント補強用ポリプロピレン繊維
EP0715642A4 (en) * 1993-08-26 1997-02-12 Synthetic Ind Inc REINFORCED CONCRETE CONTAINING ANTIMICROBIALLY REINFORCED FIBERS
US5489333A (en) * 1993-10-25 1996-02-06 Board Of Trustees Operating Michigan State University Shrinkage compensating concrete with expansive additive
US5846654A (en) * 1995-06-02 1998-12-08 Hercules Incorporated High tenacity, high elongation polypropylene fibers, their manufacture, and use
US5955196A (en) * 1996-06-28 1999-09-21 Bp Amoco Corporation Polyester fibers containing naphthalate units
US5846316A (en) * 1996-09-12 1998-12-08 Rice; Edward K. Shrinkage-compensating concrete
US5993537A (en) * 1998-03-11 1999-11-30 Dalhousie University Fiber reinforced building materials
JPH11310448A (ja) * 1998-04-28 1999-11-09 New Tokyo International Airport Authority オーバーレイ工法用コンクリート組成物、及びその硬化体
US5976670A (en) * 1998-05-08 1999-11-02 Architectural Precast, Inc. Solid surface composite and method of production
US6102999A (en) * 1998-09-04 2000-08-15 Milliken & Company Liquid dispersion comprising dibenzylidene sorbital acetals and ethoxylated nonionic surfactants
US6723267B2 (en) * 1998-10-28 2004-04-20 Dsm N.V. Process of making highly oriented polyolefin fiber
CN1334845A (zh) * 1998-12-08 2002-02-06 陶氏化学公司 热熔融粘合性聚丙烯/乙烯聚合物纤维以及用于制备该纤维的组合物
US6110588A (en) * 1999-02-05 2000-08-29 3M Innovative Properties Company Microfibers and method of making
US6630231B2 (en) * 1999-02-05 2003-10-07 3M Innovative Properties Company Composite articles reinforced with highly oriented microfibers
US6586073B2 (en) * 1999-05-07 2003-07-01 3M Innovative Properties Company Films having a microfibrillated surface and method of making
US6331343B1 (en) * 1999-05-07 2001-12-18 3M Innovative Properties Company Films having a fibrillated surface and method of making
AU5040700A (en) * 1999-05-26 2000-12-12 Ppg Industries Ohio, Inc. Use of e-glass fibers to reduce plastic shrinkage cracks in concrete
US6569232B2 (en) * 1999-08-09 2003-05-27 Magdiel Castro Fiber reinforced light weight cellular concrete
US6468451B1 (en) * 2000-06-23 2002-10-22 3M Innovative Properties Company Method of making a fibrillated article
US6340522B1 (en) * 2000-07-13 2002-01-22 Wr Grace & Co.-Conn. Three-dimensional twisted fibers and processes for making same
US6420024B1 (en) * 2000-12-21 2002-07-16 3M Innovative Properties Company Charged microfibers, microfibrillated articles and use thereof
US6534574B1 (en) 2001-03-24 2003-03-18 Milliken & Company Highly nucleated thermoplastic articles
EP1385823B1 (en) * 2001-04-09 2006-12-13 Chiron Corporation Guanidino compounds as melanocortin-4 receptor (mc4-r) agonists
US6680114B2 (en) * 2001-05-15 2004-01-20 3M Innovative Properties Company Fibrous films and articles from microlayer substrates
US6541554B2 (en) * 2001-05-17 2003-04-01 Milliken & Company Low-shrink polypropylene fibers
US6645618B2 (en) * 2001-06-15 2003-11-11 3M Innovative Properties Company Aliphatic polyester microfibers, microfibrillated articles and use thereof
US6999081B1 (en) * 2001-11-14 2006-02-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Method and apparatus for displaying production data for improved manufacturing decision making
US6692823B2 (en) * 2001-12-19 2004-02-17 3M Innovative Properties Company Microfibrillated articles comprising hydrophillic component
US6887567B2 (en) * 2002-11-02 2005-05-03 Milliken & Company Low-shrink polypropylene tape fibers comprising high amounts of nucleating agents
US6759124B2 (en) 2002-11-16 2004-07-06 Milliken & Company Thermoplastic monofilament fibers exhibiting low-shrink, high tenacity, and extremely high modulus levels
FR2860511B1 (fr) * 2003-10-02 2005-12-02 Saint Gobain Mat Constr Sas Produit cimentaire en plaque et procede de fabrication
US7074483B2 (en) * 2004-11-05 2006-07-11 Innegrity, Llc Melt-spun multifilament polyolefin yarn formation processes and yarns formed therefrom
US20060276088A1 (en) * 2005-06-01 2006-12-07 Polymer Group, Inc. Profiled Structural Concrete Fiber Material And Building Products Including Same, And Methods
US7445834B2 (en) * 2005-06-10 2008-11-04 Morin Brian G Polypropylene fiber for reinforcement of matrix materials

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4979992A (en) * 1986-06-09 1990-12-25 Aktieselskabetarlborg Portland-Cement-Fabrik Compact reinforced composite
US20010050032A1 (en) * 1990-06-19 2001-12-13 Dry Carolyn M. Self-repairing, reinforced matrix materials
US6753081B1 (en) * 2001-02-21 2004-06-22 Forta Corporation Fiber reinforcement material, products made therefrom, and method for making the same
US20030082378A1 (en) * 2001-04-25 2003-05-01 W.R. Grace & Co.-Conn. Cementitious compositions having highly dispersible polymeric reinforcing fibers
US20030044592A1 (en) * 2001-08-22 2003-03-06 3M Innovative Properties Company Toughened cementitious composites
US20050019565A1 (en) * 2002-11-16 2005-01-27 Morin Brian G. Polypropylene monofilament and tape fibers exhibiting certain creep-strain characteristics and corresponding crystalline configurations

Also Published As

Publication number Publication date
US7445834B2 (en) 2008-11-04
EP1888830A4 (en) 2011-04-20
EP1888830A2 (en) 2008-02-20
US20090169856A1 (en) 2009-07-02
EA200702449A1 (ru) 2008-02-28
WO2006135574A3 (en) 2007-11-01
EP1888830B8 (en) 2013-08-28
US7704595B2 (en) 2010-04-27
EP1888830B1 (en) 2013-05-15
US20060280924A1 (en) 2006-12-14
WO2006135574A2 (en) 2006-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA019254B1 (ru) Композиционный материал и способ его получения
JP5594937B2 (ja) 溶融紡糸マルチフィラメントポリオレフィン糸形成方法及びこの方法により形成された糸
CN107207345B (zh) 改进的聚丙烯纤维、用于制造该纤维的方法以及其用于生产纤维水泥产品的用途
US4483727A (en) High modulus polyethylene fiber bundles as reinforcement for brittle matrices
EP2130954B1 (en) Polypropylene fiber, method of producing the same and utilization of the same
US4524101A (en) High modulus polyethylene fiber bundles as reinforcement for brittle matrices
SK278457B6 (en) Composition material reinforced with fibres
US6960394B2 (en) Fabric reinforced cement
JP2002302825A (ja) 高耐熱性ポリプロピレン繊維
JP2588579B2 (ja) 耐熱水性にすぐれたポリビニルアルコール系繊維およびその製造法
JP4002684B2 (ja) 高耐熱性ポリプロピレン繊維
RU2457290C2 (ru) Полипропиленовые волокна, способы их получения и их применение
JP3755267B2 (ja) コンクリート補強用繊維及びそれを用いたコンクリート成形体
KR102616017B1 (ko) 내마모성이 향상된 폴리올레핀계 모노필라멘트 원사, 이의 제조방법 및 이에 의해 제조된 성형품
JP4990827B2 (ja) 水硬性組成物および水硬化物
NZ730446B2 (en) Improved polypropylene fibers, methods for producing the same and uses thereof for the production of fiber cement products
BR112020012722B1 (pt) Fibra para reforço de fibrocimento, processo de produção da fibra, e, artigo de fibrocimento

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM

MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): RU