FI106964B - Menetelmä muovikomposiitin valmistamiseksi ja muovikomposiitti - Google Patents

Description

106964

Menetelmä muovikomposiitin valmistamiseksi ja muovikomposiitti

Menetelmä muovikomposiitin valmistamiseksi, jossa menetelmässä valmistetaan jalkineen pohja sekoittamalla sopivaa muovimateriaalia oleva 5 matriisimuovi ja kiinteät aineosat keskenään esim. valamalla.

Edelleen on keksinnön kohteena muovikomposiitti, joka on tarkoitettu käytettäväksi jalkineiden pohjissa, ja joka käsittää sopivaa muovimateriaalia olevan muovimatriisin ja muovimatriisiin sovitettuja kiinteitä aineosia.

Komposiitti on yleisnimi kaikille kahden tai useamman materiaalin 10 yhdistelmille, joissa materiaalit toimivat yhdessä, mutta eivät ole liuenneet tai sulautuneet tosiinsa. Materiaaliyhdisteinään kokonaisuudeksi sitovaa aineosaa kutsutaan matriisiksi ja matriisin yhteensitomat muut aineosat voivat olla kiinteitä aineosia, kuten lujitekuituja tai täyteainetta. Muovikomposiiteissa matriisina toimii muoviaine ja kiinteinä lujiteaineina käytetään tavallisimmin ohuita 15 kuituja sellaisenaan tai kuiduista muodostettuja kuitukimppuja, lujitemattoja, punoksia, kudoksia ja liimakankaita. Käytetyimmät kuitumateriaalit ovat lasi- ja hiilikuitu, mutta myös hinnaltaan kalliimpien aramidikuitujen käyttö voi olla perusteltua joissain kohteissa.

Lämpöä eristäviä rakenteita valmistetaan muovista mm. käyttämällä 20 solustettua muovia, jonka rakenteessa olevien kaasutilojen ansiosta sen läm-mönjohtavuus saadaan verrattain pieneksi. Tällaisen rakenteen haittana on kuitenkin se, että useimmat käytetyt solustetut muovit ovat kokoonpuristuvia, jolloin joutuessaan jatkuvasti puristusrasitusten vaikuttamaksi, ne aikaa myöten painuvat vähitellen kokoon, jolloin niissä olevat ilmatilat eivät enää kykene 25 toimimaan eristeenä ja rakenteen lämmöneristyskyky heikkenee olennaisesti. Edelleen tällaisen rakenteen mekaaniset ominaisuudet eivät ole riittävät kaikkiin käyttökohteisiin.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen muovikomposiitti, joka ehkäisee tunnetun tekniikan haittoja. Edelleen on tarkoituk-30 sena saada aikaan menetelmä uudenlaisen muovikomposiitin valmistamiseksi Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että kiinteänä aineosana käytetään linnun höyheniä, jotka sovitetaan päällekkäisiksi kerroksiksi niin, että kussakin kerroksessa olevat höyhenet ovat olennaisesti saman tason suuntaisesti, että eri kerrosten höyhenet orientoidaan toistensa 35 suhteen ristikkäin, jolloin eri kerrosten höyhenet muodostavat puristusta kes- 2 106964 tävän verkkomaisen lujitteen ja jolloin jalkineen pohjan rakenteeseen jää höyhenten vaikutuksesta lämpöä eristäviä kaasutiloja.

Edelleen on keksinnön mukaiselle muovikomposiitille tunnusomaista se, että kiinteäksi aineosaksi on sovitettu höyheniä, että höyhenet on 5 sovitettu päällekkäisiksi olennaisesti samansuuntaisiksi kerroksiksi niin, että kussakin kerroksessa höyhenet ovat olennaisesti saman tason suuntaisesti, ja että höyhenet on kussakin kerroksessa orientoitu niin, että päällekkäisten kerrosten toistensa suhteen ristikkäin asemoituneet höyhenet muodostavat verkkomaisen puristusta kestävän lujitteen ja että rakenteeseen on tällöin jää-10 nyt höyhenten vaikutuksesta lämpöä eristäviä kaasutiloja.

Keksinnön olennainen ajatus on, että muovikomposiitti käsittää sopivaa muovimateriaalia olevan muovimatriisin ja muovimatriisiin sovitettuja linnun höyheniä. Keksinnön erään edullisen sovellutusmuodon olennaisena ajatuksena on, että höyhenet on sovitettu päällekkäin kerroksittain niin, että kun-15 kin kerroksen höyhenet ja eri höyhenkerrokset keskenään ovat olennaisesti samansuuntaisia. Muutoin höyhenten orientointi kussakin kerroksessa voi olla satunnaista. Päällekkäiset höyhenkerrokset muodostavat tällöin verkkomaisen rakenteen höyhenten asettuessa ristikkäin toistensa suhteen. Edelleen keksinnön erään edullisen sovellutusmuodon mukaan matriisimuovi ja höyhenet 20 liitetään valamalla tai muulla valmistustavalla yhteen niin, että höyhenkerros- • ;.t ten vaikutuksesta rakenteeseen muodostuu runsaasti kaasutiloja, jotka toimi- * « « !.. vat lämpöeristeenä.

« « « ;' Keksinnön etuna on, että höyhenet toimivat muovikomposiitissa lu- : ' jitteena, jolloin saadaan aikaan mekaanisesti erittäin luja rakenne. Höyhenten 25 mekaaniset ominaisuudet ovat painoonsa nähden erinomaiset. Tehdyissä • · mittauksissa on todettu höyhenten antavan rakenteelle hyvät taivutus-, leikka-us- ja vetolujuusominaisuudet. Höyhenten ominaisuudet lujitteena korostuvat erityisesti silloin, kun niitä sovitetaan toistensa suhteen ristikkäin. Edelleen •;.c* ristikkäiset ja päällekkäiset höyhenkerrokset mahdollistavat rakennetta val- .···. 30 niistettäessä kaasutaskujen syntymisen komposiittirakenteeseen, ja siten hy- vän lämmöneristyskyvyn omaavan rakenteen aikaansaamisen. Edelleen höy-henten, erityisesti arktisten lintujen höyhenten, oma lämmönjohtokyky on pieni. Esimerkiksi arktisten hanhien höyhenissä on jo itsessään sisäisiä kaasutas-:\t kuja, jotka toimivat höyhenissä lämpöäeristävinä osuuksina. Vielä etuna on se, .···. 35 että höyhenet, jotka ovat nykyisellään vain kustannuksia ja vaivaa aiheuttavaa t · jätettä teurastamoille ja vastaaville laitoksille, voidaan nyt käyttää hyödyksi.

3 106964 Tämä on myös ekologisesti edullista, sillä jätteen määrää saadaan näin vähennettyä ja toisaalta teollisesti valmistettavien kuitujen määrää voidaan vähentää. Höyhenten käyttö on myös hinnaltaan edullisempaa kuin nykyisten lujite- ja täyteaineiden käyttö. Keksinnön mukaisen rakenteen etuna on edelleen 5 se, että päällekkäisiksi kerroksiksi sovitetut höyhenet ehkäisevät rakenteen painumisen kokoon käytettäessä huokoista, kaasutiloja sisältävää muovimat-riisia. Tällöin rakenne ei menetä ominaisuuksiaan lämmöneristyskyvyn ja tai-puisuuden suhteen.

Tässä hakemuksessa höyhenillä tarkoitetaan lintujen ihoa peittäviä 10 sulkia, untuvia ja vastaavia sellaisenaan sekä näistä muodostettuja materiaaleja.

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti erään keksinnön mukaisen komposiittirakenteen poikkileikkausta, 15 kuvio 2 esittää mikroskoopilla otettua kuvaa päällekkäisiksi kerrok siksi asetettujen höyhenten muodostamasta verkkomaisesta rakenteesta, ja kuvio 3 esittää kaavamaisesti ja poikkileikattuna rakennekuviona erästä keksinnön mukaisen muovikomposiitin sovellutusta.

Kuviossa 1 on esitetty vahvasti yksinkertaistettuna kuvantona kek-20 sinnön mukaisen komposiittirakenteen poikkileikkaus. Komposiitti käsittää ·:·, muovimatriisin 1, joka voi olla periaatteessa mitä tahansa tarkoitukseen sopi- • · · i..( vaa muovimateriaalia. Muovimatriisiin on sovitettu valmistuksen yhteydessä !: linnun höyheniä 2, jotka höyhenet voivat toimia rakenteessa tarpeen mukaan

* I

\ " lujitteena ja/tai täyteaineena. Höyhenet voivat olla rakenteessa suunnattuna '· ‘ 25 joko täysin satunnaisesti tai kuten kuviossa 1 on havainnollistettu, voidaan • · :.v höyhenet sovittaa päällekkäisiksi, olennaisesti samansuuntaisiksi kerroksiksi.

• · ♦ v : Päällekkäiset höyhenkerrokset voi olla sovitettu komposiittirakenteeseen joko rakenteen jonkin pinnan suuntaisesti, rakenteen poikkileikkauksen keskiakse-·:··: Iin suuntaisesti tai haluttuun kulmaan riippuen valmistusmenetelmästä tai ra- .*··. 30 kenteelta edellytettävistä ominaisuuksista. Kuviossa 1 on selvyyden vuoksi .·*. esitetty vain yksinkertaistettu periaatteellinen kuvanto. Käytännössä höyheniä • · · 2 on tietenkin paljon enemmän ja höyhenet ovat edullisesti ainakin osittain toi-siaan vasten.

Keksinnön mukaisen muovikomposiitin valmistuksessa voidaan .···. 35 käyttää hyväksi höyhenistä esivalmistettuja osuuksia, joiden ansiosta varsinai sen komposiitin muodostaminen voi tapahtua nopeasti. Höyhenet voidaan en- 4 106964 naita muodostaa halutunlaiseksi kerrokseksi esimerkiksi puristamalla ne sopivaksi muodostelmaksi, liimaamalla ne matoksi tai valamalla ne ennalta muoviin.

Kuviossa 2 on esitetty mikroskooppisuurennos päällekkäisten höy-5 henkerrosten muodostamasta verkkomaisesta rakenteesta. Kuviossa voidaan nähdä päällimmäisen höyhenen ruoto 3a ja sen alla poikittain olevan höyhenen ruoto 3b. Höyhenten ruodoista lähtee pienempiä liistakkeita ja höytyjä, jotka vuorostaan haarautuvat aina pienemmiksi höydyiksi. Tällainen rakenne voi toimia hyvin tehokkaana lujitteena. Edelleen on kuviossa nähtävissä kah-10 den päällimmäisen höyhenen alla olevia höyheniä heikommalla viivapaksuu-della. Ristikkäin menevät ruodot 3a ja 3b kykenevät ottamaan päällekkäin sovitettuina rakenteeseen kohdistuvia puristus- ja venytysvoimia vastaan, mistä seikasta on etua käytettäessä matriisimuovina helposti kokoonpainuvaa muovia, kuten polyuretaania (PU).

15 Kuviossa 3 on esitetty keksinnön eräs sovellutuskohde. Keksinnön mukaista komposiittirakennetta voidaan soveltaa esimerkiksi jalkineiden pohjan materiaalina. Pohjalta edellytetään hyviä mekaanisia ominaisuuksia, keveyttä sekä ainakin pohjoisissa olosuhteissa hyvää lämmöneristyskykyä. Tunnetuissa ratkaisuissa on käytetty polyuretaanista (PU), polyeteenistä (PE) tai 20 polypropeenista (PP) valmistettua kerrosta, johon on kiinnitetty liimaamalla, ·:·. tyhjiöhöyrystämällä tai laminointitekniikalla heijastuskerros. Tällaisen, esimer- kiksi kiiltävää alumiinifoliota olevan kerroksen tarkoituksena on heijastaa ja- « € ( lasta kenkään päin siirtyvä lämpösäteily takaisin jalkaan lämpimän pohjaker-roksen aikaansaamiseksi ja toisaalta aikaansaada rakenne, joka estää esi-25 merkiksi kuumilla pinnoilla liikuttaessa alustasta jalkaan päin siirtyvän läm-pösäteilyn. Tällainen ratkaisu on esitetty esimerkiksi Fl-patenttijulkaisussa • · · v ; 98042. Kyseisessä julkaisussa on esitetty käytettäväksi muovina polypropee nia (PP), jonka lämmönjohtavuus on 0.120 W m'1 K'1 , kun esimerkiksi poly-·:*·; uretaanin (PU) lämmönjohtavuus on vain noin kymmenesosa eli 0.015 W rrr1K' ·***: 30 1. Edelleen ei julkaisussa esitetyillä heijastuskerroksilla ole osoittautunut teh- .· . dyissä mittauksissa olevan juuri mitään merkitystä käytännössä. Jotta metalli- • · · kalvot toimisivat julkaisussa esitetyllä tavalla lämpöä takaisin heijastavina pin- • « töinä, niiden tulisi olla peilipintoja. Tämä on kuitenkin mahdollista vain teorias-sa, sillä eristemateriaaliin laminoidut metallikalvot seuraavat niiden kiinnitys-;···; 35 pintojen epätasaisuuksia, jolloin kalvoon osuva lämpösäteily ei enää kaikki heijastukaan suunnitellulla tavalla, vaan siinä tapahtuu epäedullista lämpösä- 5 106964 teilyn sirontaa. Nyt höyhentäytteisen komposiittirakenteen 4 yläpintaan on sovitettu jalkaa vasten tulevaksi pinnaksi pehmeä tekstiilikerros 5 tai vastaava. Alapintaa vasten on puolestaan sovitettu sopiva tukikerros 6, kuten esimerkiksi TEXON ™. Keksinnön mukaiseen komposiittirakenteeseen voidaan siten yh-5 distää käyttötarkoituksen mukaan erilaisia muita rakennekerroksia.

Kuvion 3 mukaisessa komposiittirakenteessa on esitetty käytettäväksi huokoista muovimatriisia, esimerkiksi vaahdotettua polyuretaania. Muovi-matriisi käsittää tällöin kaasutiloja 7, jotka toimivat hyvänä lämmön eristeenä. Tavallisesti kaasutiloissa vallitsee ilma, mutta umpisoluisia muovimateriaaleja 10 käytettäessä on mahdollista järjestää matriisiin esimerkiksi ilmaa paremmat eristysominaisuudet omaavaa kaasua. Kuviosta voidaan vielä nähdä höyhenten kohdalla olevat kaasutilat 8, jotka syntyvät rakenteeseen valmistuksen yhteydessä höyhenten vaikutuksesta. Ristikkäin toistensa suhteen asetetut höyhenet estävät valmistettaessa matriisimuovin tunkeutumisen tiiviisti höyhe-15 niä vasten, jolloin rakenteeseen jää muovilla täyttymättömiä kohtia, jotka toimivat eristävinä kaasutiloina 6. Höyhenkerrosten keskinäisellä asemoinnilla, tiivi-ysasteella, käytettävällä höyhenlajilla ja matriisimuovilla sekä edelleen sovellettavalla valmistusmenetelmällä voidaan vaikuttaa siihen, kuinka paljon kaasutiloja höyhenten vaikutuksesta syntyy rakenteeseen. Esimerkiksi yli- tai ali-20 painetta käyttävissä valumenetelmissä voidaan painetta säätämällä vaikuttaa ·:·. kaasutilojen syntymiseen. Tarvittaessa komposiittirakenne voidaan muodostaa

• · I

niin, että siinä ei ole höyhenten keskinäisestä sijoittelusta ja matriisimuoviin sovittamisesta johtuvia kaasutiloja lainkaan. Viimeksi mainitussakin raken- I « \ ‘‘ teessä on kuitenkin kaasutiloja johtuen höyhenten rakenteessa jo itsessään '· 25 olevista pienistä sisäisistä kaasutiloista, jotka toimivat lämpöäeristävinä kaa- • · sutaskuina.

• · · :.·1 · Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollista maan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patentti-·:··: vaatimusten puitteissa. Niinpä höyheniä ei ole välttämätöntä sovittaa tasaisesti 30 läpi koko komposiittirakenteen, vaan höyheniä käsittävä komposiittiosuus voidaan muodostaa valmistettavaan rakenteeseen vaikka vain sen keskikerrok- • · · seen ja/tai pintoihin muiden osuuksien ollessa pelkkää muovimatriisia tai jollain muilla kiinteillä aineosilla lujitettua muovia. Edelleen voi höyhenten määrä ja laatu vaihdella eri kohdissa rakennetta halutut ominaisuudet huomioiden. On .···. 35 myös täysin mahdollista yhdistää höyhenten kanssa muita lujite- ja täyteai neita haluttujen komposiittirakenteiden muodostamiseksi. Edelleen voidaan 6 106964 höyhentäytteisiä matriiseja muodostaa käyttämällä jo sinällään hyvin lyhyitä höyheniä tai höyhenistä leikkaamalla muodostettua lyhyttä höyhenmassaa ns. katkokuidun tapaan. Keksinnön käyttöä ei ole rajoitettu pelkästään asusteisiin, vaan sitä voidaan käyttää menestyksellä esimerkiksi rakennusteollisuuden 5 tuotteissa, joissa tarvitaan hyvät mekaaniset ja termiset ominaisuudet omaavia sekä hinnaltaan kilpailukykyisiä rakenteita.

• · « • · · • «« « «· « · • · • · · • · · • · · • · · • · · • » < e · • · • · • · · • · · • · 1 • · ·

Claims (4)

106964

1. Menetelmä muovikomposiitin valmistamiseksi, jossa menetelmässä valmistetaan jalkineen pohja sekoittamalla sopivaa muovimateriaalia 5 oleva matriisimuovi (1) ja kiinteät aineosat keskenään esim. valamalla, tunnettu siitä, että kiinteänä aineosana käytetään linnun höyheniä (2), jotka sovitetaan päällekkäisiksi kerroksiksi niin, että kussakin kerroksessa olevat höyhenet ovat olennaisesti saman tason suuntaisesti, että eri kerrosten höyhenet (2) orientoidaan toistensa suhteen ristikkäin, jolloin eri kerrosten höyhe-10 net muodostavat puristusta kestävän verkkomaisen lujitteen ja jolloin jalkineen pohjan rakenteeseen jää höyhenten vaikutuksesta lämpöä eristäviä kaasutiloja (8).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muovimateriaalina käytetään solustettua muovia.

3. Muovikomposiitti, joka on tarkoitettu käytettäväksi jalkineiden pohjissa, ja joka käsittää sopivaa muovimateriaalia olevan muovimatriisin (1) ja muovimatriisiin sovitettuja kiinteitä aineosia, tunnettu siitä, että kiinteäksi aineosaksi on sovitettu höyheniä (2), että höyhenet (2) on sovitettu päällekkäisiksi olennaisesti samansuuntaisiksi kerroksiksi niin, että kussakin kerroksessa 20 höyhenet ovat olennaisesti saman tason suuntaisesti, ja että höyhenet (2) on ·:·. kussakin kerroksessa orientoitu niin, että päällekkäisten kerrosten toistensa suhteen ristikkäin asemoituneet höyhenet muodostavat verkkomaisen puris- • · tusta kestävän lujitteen ja että rakenteeseen on tällöin jäänyt höyhenten (2) vaikutuksesta lämpöä eristäviä kaasutiloja (8). • · t ’· "· 25

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen muovikomposiitti, tunnettu v.: siitä, että muovimatriisi (1) on solustettua muovia, kuten polyuretaania (PU). ··· * « · • · · • • · · e a • t • · • · • · · • · · • · • · • « • · • · · 1 · « · 106964