ES2317554T3 - Metodo para mejorar la cohesion de filamentos de fibras de aramida cortadas. - Google Patents
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Abstract
Un método para mejorar la cohesión entre filamentos de fibras de aramida cortadas, que incluye las etapas de impregnar un agente aglutinante formador de película en la fibra, secar la fibra, aplicar opcionalmente un acabado a la fibra, y cortar la fibra en trozos de 1 a 6 mm de longitud, según el cual la fibra, antes de aplicar el agente aglutinante, se somete a un procedimiento de torsión para obtener una fibra que tiene un nivel de torsión de 10 a 150 vpm y que el corte de las fibras se realiza con una cortadora rotatoria.
Description
Método para mejorar la cohesión de filamentos de
fibras de aramida cortadas.
La invención se refiere a un método para mejorar
la cohesión entre filamentos de fibras de aramida cortadas.
Los pre-compuestos
termoplásticos cargados con fibras de aramida (generalmente, hasta
20%) y en forma de gránulos, se utilizan frecuentemente como
material básico para la fabricación, por ejemplo, mediante moldeo
por inyección, de artículos de materiales compuestos (Ej.
engranajes, cojinetes) con una mejorada resistencia a la abrasión.
Estos pre-compuestos se producen mezclando, pelets
de material compuesto de matriz termoplástico con fibras de aramida
cortadas a través de un procedimiento de extrusión en masa fundida.
A tal fin, los pelets de material termoplástico y las fibras de
aramida cortadas, se dosifican separadamente a la garganta de
alimentación de la extrusora. Un serio problema de alimentar fibras
a la extrusora es la formación de puentes y acumulación de fibras,
lo que dificulta la introducción suave y rápida a la extrusora. Al
parecer, los filamentos sueltos que ya no están unidos en los
trozos cortados de fibra, se aglutinan formando bolas enmarañadas
que producen acumulaciones, puentes y obstrucción en los sistemas
de transporte.
Es por tanto un propósito de la presente
invención, proporcionar un método para obtener fibras cortadas que
no presenten estas desventajas. Así, el presente método proporciona
fibras cortadas similares a gránulos, es decir, fibras en las que
se mejora la cohesión de los filamentos de una fibra, dando como
resultado que la fibra se comporte como un monofilamento de gran
tamaño. Sin embargo, no es posible aminorar las desventajas antes
mencionadas aplicando agentes aglutinantes mejorados o similares,
puesto que estos no producen una mejora sustancial de la cohesión
entre grupos de filamentos.
A tal fin, la invención proporciona un método
para mejorar la cohesión de filamentos de fibras de aramida
cortadas, que incluye las etapas de impregnar un agente aglutinante
formador de película en la fibra, secar la fibra, aplicar
opcionalmente un acabado a la fibra, y cortar la fibra en trozos de
1 a 6 mm de longitud, caracterizado porque la fibra, antes de
aplicar el agente aglutinante, se somete a un procedimiento de
torsión para obtener una fibra que tenga un nivel de torsión de 10
a 150 vpm y que el corte de las fibras se realice con una cortadora
rotatoria.
Sorprendentemente, se encontró que dicha etapa
de torsión previa al corte rotatorio para preparar fibras cortadas,
aumentó sustancialmente la cohesión de filamentos, lo que hace
posible prevenir completa o casi completamente, la aparición de
filamentos sueltos que se aglutinan formando bolas enmarañadas. El
efecto de este método es por tanto un aumento sustancial de la
densidad aparente del material de fibras. Una aumentada densidad
aparente se corresponde con una mayor facilidad de alimentación del
material a la extrusora.
El método de la invención no es conocido en
cuanto a fibras de aramida. Según la patente de EE.UU. 5.227.238
las fibras de carbono fueron cortadas y lo más preferiblemente, se
les aplicó 10 a 20 vueltas por metro, para obtener una fibra de
carbono cortada que tuviera un mejor grado de unión. Sin embargo, no
se describió el uso de una cortadora rotatoria para aumentar la
densidad aparente.
Las fibras de aramida según la invención se
retorcieron, procedimiento muy común en la tecnología de fibras por
lo que la persona experta no necesita mayor explicación, a un nivel
de torsión de al menos 10 vpm (vueltas por minuto) y no superior a
150 vpm. Se obtienen mejores resultados cuando el nivel de torsión
es de 20 a 100 vpm, y lo más preferiblemente de 30 a 80 vpm. Estas
fibras retorcidas son más o menos redondas. Esta geometría la
establece el encolado de las fibras dando lugar tras el corte, a
fibras cortadas (transversalmente) con forma más bien redonda o
elíptica, que plana como en el caso de aplicar la técnica anterior.
Se cree que estas fibras cortadas con forma redonda o elíptica,
contribuyen a facilitar su posterior procesamiento.
Tras la etapa de torsión, la cual es la etapa
esencial para obtener al final fibras cortadas mejoradas, la fibra
se trata con un agente aglutinante formador de película y
opcionalmente, una capa de acabado. El agente aglutinante además
mejora la cohesión entre filamentos y debe ser un polímero formador
de películas que se funda en la extrusora. Preferiblemente, el
agente aglutinante se disuelve o dispersa en agua, tal como
poliuretano y/o resina de poliéster sulfonatado.
Ejemplos de poliésteres adecuados son polímeros
derivados de un ácido dicarboxílico sulfonatado, un ácido
dicarboxílico y un diol. Se prefiere el poliéster derivado de ácido
sulfo-isoftálico de sodio dimetilo, ácido
isoftálico y etilen-glicol. Dicho producto está
disponible con el nombre comercial Eastman® LB-100.
Ejemplos de poliuretanos adecuados, son dispersiones de poliéter
poliuretano o poliéster poliuretano, disponibles con los nombres
comerciales Alberdingk® U400N e Impranil® DLF, respectivamente. Las
cantidades adecuadas de agente aglutinante están entre 1,5 y 12% en
peso, preferiblemente 2,0 a 9% en peso, y aún más preferiblemente
2,5 a 6% en peso. Cuando el agente aglutinante se aplica en forma
de solución o dispersión acuosa, se debe de secar la fibra tras la
aplicación del agente aglutinante, por ejemplo, sobre secadores de
tambor, secadores de aire, y similares.
La capa de acabado, cuando se utiliza, es un
aceite de baja viscosidad intrínseca, el cual reduce la fricción de
los filamentos tratados y de la fibra cortada contra los rodillos
guía de la máquina cortadora y partes metálicas del sistema de
transporte a la extrusora, respectivamente. Preferiblemente, la capa
de acabado es un aceite éster utilizado en una cantidad de 0,05 a
3,0% en peso, más preferiblemente de 0,1 a 1% en peso. Ejemplos de
aceites adecuados son
2-etil-hexil-estereato,
2-etil-hexil-palmitato,
n-butil-laurato,
n-octil-caprilato,
butil-estereato o sus mezclas. El aceite éster
preferido es una mezcla de
2-etil-hexil-estereato
y
2-etil-hexil-palmitato,
el cual está disponible con el nombre comercial LW® 245.
Una vez tratadas las fibras con el agente
aglutinante, secadas y opcionalmente recubiertas con una capa de
acabado, se cortan en trozos de 1 a 16 mm, preferiblemente de 2 a 12
mm, y más preferiblemente en trozos de 3 a 10 mm. El corte se
realiza con una cortadora rotatoria. La cortadora rotatoria tiene la
ventaja adicional de ser más eficaz, lo que hace que el
procedimiento sea más económico y que se genere menos o ningún
material de desecho. Aunque con el uso de cualquier otra cortadora
corriente que sea adecuada para cortar fibras de aramida, tal como
una cortadora de guillotina, también se produce un aumento de la
densidad aparente, no se consigue las densidades aparentes
extremadamente altas del método de la invención.
Además, se encontró que el efecto de la torsión
y el corte rotatorio se puede aumentar aún más utilizando fibras de
baja densidad lineal. Dicho efecto adicional fue particularmente
sustancial cuando se cortaron las fibras en trozos pequeños,
preferiblemente de 4 mm o inferiores. Por tanto, es preferible
utilizar fibras que tengan una densidad lineal inferior a 2.000
dtex, y que la fibra esté cortada preferiblemente a una longitud
inferior a 4 mm.
Las fibras que se pueden tratar según el método
de la presente invención incluyen cualquier fibra de aramida,
particularmente fibra de hilado continuo e hilo elástico roto. Los
títulos de los filamentos no son importantes para la invención pero
están generalmente entre 800 y 8.050 dtex, más preferiblemente entre
1.200 y 4.830 dtex. Fibras de aramida adecuadas incluyen las fibras
meta- y para-amidas, tales como las fibras
Teijinconex®
[poli-(meta-fenileno-isoftalamida);
MPIA], fibras Twaron®
[poli(para-fenileno-tereftalamida);
PPTA] y fibras Technora®
[co-poli-(parafenileno/3,4'-oxidifenileno-tereftalamida)].
Las que se utilizan más frecuentemente son las fibras Twaron®.
Las fibras tratadas según el método de la
invención presentan propiedades de fuerte cohesión entre filamentos,
es decir, las fibras cortadas en trozos pequeños tienen una baja
tendencia a dividirse en filamentos individuales. Por tanto, las
fibras cortadas de la invención tienen una alta densidad aparente y
son fáciles de dosificar y dispersar en extrusoras para preparar
compuestos con materiales termoplásticos, tales como poliamida,
poli(óxido de metileno), policarbonato, poli(tereftalato de
buteno) y similares.
Una mayor explicación de la invención y sus
ventajas, se describen en los siguientes ejemplos ilustrativos no
restrictivos.
Ejemplo
1
Fibra aramida (PPTA, Twaron®) 3360 dtex se
impregnó con agente aglutinante (Eastman LB-100,
Eastman Chemical Company, Kingsport, EE.UU), secó, y trató con una
capa de acabado (LW 245, Cognis, Düsseldorf, Alemania). A
continuación, se cortaron las fibras con una cortadora rotatoria
Neumag a 100 mpm (metros por minuto) en trozos de 6 mm y se
determinó la densidad aparente (Fibra cortada A fue casi plana;
según la técnica anterior).
La densidad aparente se determinó como
sigue:
Un matraz redondo de aluminio con un contenido
de 1.000 ml (diámetro interno 10 cm, altura 12,7 cm);
Una balanza (exactitud 0,01 gramos);
Una regla.
Pesar el matraz de aluminio (a gramos) y
colocarlo sobre una mesa. Llenar el matraz de aluminio con fibras
cortas, cortadas a una altura aproximada de 10 cm. Añadir la
cantidad de fibra necesaria hasta colmar. Retirar el exceso con la
regla pasándola sobre la parte superior del matraz. Pesar de nuevo
el matraz de aluminio lleno (b gramos).
Durante la medición, se debe evitar agitar el
matraz o presionar sobre las fibras cortas. La densidad aparente de
las fibras cortas es b-a gramos. El ensayo se llevó
a cabo en duplicado y el valor promedio es la densidad aparente de
la muestra de fibra.
En los ejemplos, se utiliza la cantidad
"relación densidad aparente". En el Ejemplo 1, se muestra la
relación entre (la densidad aparente de la muestra de fibras cortas
x 100)/(la densidad aparente de las fibras cortas producidas a
partir de filamentos sin retorcer). En el Ejemplo 2, se muestra la
relación entre (la densidad aparente de la muestra de fibras cortas
x 100)/(la densidad aparente de las fibras cortas producidas a
partir de filamentos cortados con guillotina). Como consecuencia,
la relación de densidad aparente de las fibras cortas producidas a
partir de filamentos sin retorcer (Ejemplo 1) y la relación de
densidad aparente de las fibras cortas producidas a partir de
filamentos cortados con guillotina (Ejemplo 2) se fijó en
"100".
Se repitió el procedimiento, pero antes de
impregnar, se retorció la fibra (Fibras cortadas I fueron elípticas
o casi redondas; según la invención).
Los resultados se recogen en la Tabla 1.
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La densidad aparente de las fibras cortadas
retorcidas fue mayor que la de la fibra sin retorcer. Por tanto,
los materiales retorcidos son más fáciles y rápidos de usar, y no
corren riesgo de obstrucción al ser alimentados a extrusoras.
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Ejemplo
2
Fibra de aramida retorcida (PPTA, Twaron®) 3.360
dtex se impregnó con agente aglutinante Eastman
LB-100, secó, y trató con una capa de acabado LW
245. A continuación, las fibras se cortaron en fibras cortas de 6
mm. Una parte de las fibras se cortaron utilizando una cortadora de
guillotina Pierret a 1,2 mpm (Fibra cortada B; comparativa), y otra
parte se cortó utilizando una cortadora rotatoria Neumag a 120 mpm
(Fibra cortada II; invención). Tanto Fibra cortada B como Fibra
cortada II, fueron elípticas o casi redondas.
Los resultados se recogen en la Tabla 2, y
demuestran que cuando se utiliza una cortadora rotatoria, se pueden
producir fibras cortas con mayor densidad aparente y
rendimiento.
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Ejemplo
3
Fibras de aramida retorcidas (PPTA, Twaron®)
3.360 (III) y 1.680 dtex (IV) se impregnaron con agente aglutinante
Eastman LB-100, secaron, y trataron con una capa de
acabado LW 245. A continuación, las fibras se cortaron en fibras
cortas. Las fibras cortas de una longitud de 1,5 mm y 3,3 mm se
obtuvieron utilizando una cortadora rotatoria Neumag NMC 290H. Las
fibras cortas de 6 mm de longitud se obtuvieron utilizando una
cortadora rotatoria Fleissner. Los resultados demuestran que se
pueden producir fibras cortas con mayor densidad aparente cuando se
utiliza una alimentación de filamentos retorcidos de una menor
densidad lineal.
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Claims (8)
1. Un método para mejorar la cohesión entre
filamentos de fibras de aramida cortadas, que incluye las etapas de
impregnar un agente aglutinante formador de película en la fibra,
secar la fibra, aplicar opcionalmente un acabado a la fibra, y
cortar la fibra en trozos de 1 a 6 mm de longitud, según el cual la
fibra, antes de aplicar el agente aglutinante, se somete a un
procedimiento de torsión para obtener una fibra que tiene un nivel
de torsión de 10 a 150 vpm y que el corte de las fibras se realiza
con una cortadora rotatoria.
2. El método según la reivindicación 1, en el
que el nivel de torsión de 20 a 100 vpm.
3. El método según la reivindicación 1, en el
que el nivel de torsión de 30 a 80 vpm.
4. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que el agente aglutinante formador de
película, es un agente aglutinante formador de película soluble o
dispersable en agua.
5. El método según la reivindicación 4, en el
que el agente aglutinante formador de película es un poliuretano o
poliéster, o una de sus mezclas.
6. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que la fibra es fibra de
poli-(para-fenileno-tereftalamida).
7. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que la fibra es
co-poli-(parafenileno/3,4'-oxidifenileno-tereftalamida).
8. El método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que la fibra tiene una densidad lineal
inferior a 2.000 dtex, y la fibra está cortada preferiblemente a
una longitud inferior a 4 mm.
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