FI83491B - Foerfarande och anordning foer framstaellning av ett fiberstaerkt material. - Google Patents

Description

5 83491

Menetelmä ja laite kuituvahvistetun materiaalin valmistamiseksi Förfarande och anordning för framställning av ett fiberstärkt material

Esilläoleva keksintö koskee menetelmää ja laitetta kuituvahvistetun materiaalin valmistamiseksi. Erityisesti keksintö koskee menetelmää ja laitetta sellaisen 10 kuituvahvistetun materiaalin valmistamiseksi, jonka muodostaa vahvikekuitu-kimppu tai -kimppuja sidottuna matriisin muodostavalla hartsimateriaalilla sellaisella tavalla, että myös yksittäiset kuidut ovat hartsimateriaalin ympäröimiä.

Suurin ongelma tämän tyyppisiä tuotteita valmistettaessa on tiettyjen matrii-15 sihartsin muodostavien materiaalien korkea viskositeetti. Koska yksittäiset kuidut kuitukimpuissa ovat hyvin tiheässä lähellä toisiaan, hartsimateriaalin on vaikeaa tunkeutua kuitukimppun sisään ja ympäröidä kaikki yksittäiset kuidut. Tämä olisi kuitenkin välttämätöntä tuotteen ominaisuuksien, kuten lujuuden, jäykkyyden, kemiallisen kestävyyden jne kannalta.

20

Ongelmalle on yritetty monia ratkaisuja. Eräässä ratkaisussa kuitukimput kuljetetaan ns. ristipääsuuttimen läpi, jossa sulaa tai nestemäistä hartsia saatetaan tunkeutumaan suutimen läpi kulkeviin kuitukinippuihin. Ns. jauhemenetel-mässä kuitukimppurataa kuljetetaan kuivien termoplastisten hartsihiukkasten 25 muodostaman petin läpi, jolloin kuitukimput vievät mukanaan hartsihiukkasia, jotka myöhemmässä vaiheessa sulatetaan kuitukimppuun. Tunnetaan myös liuotinmenetelmiä, joissa kuitukimppuja imeytetään nestemäiseen väliaineeseen liuotetulla hartsilla.

30 Ristipääsuutinmenetelmä on osoittautunut tehottomaksi kuitukimppujen imeyttä-miseksi termoplastisella hartsilla, koska kaikki yksittäiset kuidut eivät tule ympäröidyksi hartsilla. Jauhemenctclmään sisältyy monia proscssointivaiheita, jotka ovat vaikeita synkronoida keskenään, ovat kalliita hankkia ja käyttää ja samalla vahingoittavat vahviketta. Liuotinmenetelmissä tarvitaan kuivausprosessi, 35 joka on kallis, aiheuttaa ympäristöhaittoja, on aikaa viepää ja rajoittaa tuotan- 2 83491 tonopeutta. Lisäksi tuotteen laatu on alhainen siksi, että poistuva liuotin jättää tuotteeseen huokosia.

Esilläoleva keksintö aikaansaa prosessin ja laitteen vahvikekuitujen imeyttämi-5 seksi kuitukimppujen muodossa siten, että yksittäisetkin kuidut tulevat hartsilla ympäröidyiksi. Keksintö perustuu siihen tunnettuun ilmiöön, että tietyillä pseudoplastisilla materiaaleilla viskositeetti alenee niiden joutuessa alttiiksi leikkausvoimille. Tämä "leikkausohentumisena" tunnettu ilmiö on yleistä erilaisilla emulsioilla, dispersioilla, suspensioilla ja muilla materiaaleilla mukaanluettuna 10 termoplastiset hartsit ja vähemmässä määrin myös lämpökovettuvien hartsien liuokset. Alttiutta leikkausohennukselle voidaan säätää muuttamalla materiaaliin kohdistetun leikkausrasituksen tasoa. Alhaisilla rasitustasoilla saavutetaan pieni vaikutus, keskisuurilla rasitustasoilla alttius leikkausohennukselle kasvaa dramaattisesti ja hyvin korkeilla rasituksilla palautuu jälleen alemmalle tasolle 15 materiaalin saavuttaessa minimiviskositeettinsa.

Tyypillinen viskositeettialue termoplastisille hartseille on 102-106 Pas ja lämpöko-vettuville hartsiliuoksille 100-5000 Pas. Vahvikekuitujen imeytyksessä alue 1-10 Pas olisi ihanteellinen, tavallinen suuruusluokka on 10z Pas ja joissakin tapauk-20 sissa suuruusluokka 103 Pas voi olla hyväksyttävissä. Tyypilliset leikkausnopeus-alueet polymeerisulille ja liuoksille ovat 101-106 1/s ja maksimivastaavuuden alue voi olla 10°-104 1/s.

Keksinnön mukainen menetelmä koskee kuitukimppujen imeyttämistä sulalla tai 25 nestemäisellä hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää kuitukimpun tai kimppumaisia kuituryhmiä, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, imeyttämällä yhden tai useamman kuitukimpun muodostamaa jatkuvaa rainaa sulalla tai nestemäisellä hartsilla ja kovettamalla mainittu hartsi jäähdyttämällä tai kemiallisella reaktiolla. Keksinnön 30 mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että ennen mainittua imeyttämistä sula tai nestemäinen harlsimateriaali saatetaan alttiiksi leikkausvoimille pakottamalla se virtaamaan imeytyskohtaan päätyvän kanavan kautta, jonka läpimitta on mitoitettu riittävän pieneksi aiheuttamaan sulaan tai nestemäiseen hartsimateri-aaliin viskositeettia vähentäviä leikkausvoimia.

3 83491

Keksinnön mukaisen menetelmän erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainittu sula tai nestemäinen hartsimateriaali syötetään imeytyskohtaan kapillaa-riputken kautta, joka päätyy imeytyskohtaan yhden tai useamman syöttöaukon kautta.

5

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista valmistaa mitä tahansa kuituvahvistettua materiaalia, jossa kuidut ovat kimppujen muodossa. Kuidut voivat olla mitä tahansa kuituja, jotka ovat sidottavissa matriisihartsiin. Sellaisia tuotteita ovat esimerkiksi jatkuvakuituvahvisteiset granulaatit ruiskupuristusvalua 10 ja muita prosesseja varten, esikovetteet tai esi-imeytetyt materiaalit tavanomaisia prosesseja kuten pultruusiota, filamenttikelausta, teippilaminointia ym. varten.

Siten keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan käyttää esimerkiksi lasikuituja, hiilikuituja ja aramidikuituja sekä termoplastisia kuituja. Tavallisimmin 15 käytettäviä vahvikekuituja ovat lasikuitutuotteet kimppujen muodossa, joita tuotteita voidaan käyttää yksittäisinä kimppuina tai myöskin kudottuina tuotteina esimerkiksi lasikuiturovingina. Tyypilliset lasikuitukimput sisältävät tuhansia yksityisiä kuituja, joiden läpimitta on yleensä suuruusluokkaa 10-17 Mm.

20 Kuituvahvistetun materiaalin vahvikekuitujen sidontaan käytettävä hartsimateriaali voi olla esimerkiksi termoplastista hartsia, joka imeytetään kimppuihin sulana, tai lämpökovettuvaa hartsia, joka jähmetetään imeytyksen jälkeen lämmön tai kemiallisen reaktion avulla.

25 Sopivia termoplastisia hartseja ovat mm. olefiinien homo- ja kopolymeerit, vinyylikloridin homo- ja kopolymeerit, polyetyleenitereftalaatti, akrylonitriilin homo-ja kopolymeerit, polyamidit ja kopolyamidit, formaldehydin termoplastiset polymeerit, polykarbonaatti, polysulfoni ja minkä tahansa kahden tai useamman edellämainitun polymeerin seokset sekä yleensä kaikki sellaiset termoplastiset 30 hartsit, joiden viskositeetti alenee leikkausvoimien vaikutuksesta.

Keksintö koskee myös laitetta kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat mat- 4 83491 riisihartsin ympäröiminä. Keksinnön mukainen laite on tunnettu siitä, että se käsittää elimet jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen muodostaman rainan kuljettamiseksi imeytyskohdan ohi ja elimet sulan tai nestemäisen hartsin syöttämiseksi mainittuun imeytyskohtaan kanavan kautta, joka on mitoitettu 5 poikkileikkaukseltaan riittävän pieneksi aiheuttamaan sulaan tai nestemäiseen hartsimateriaaliin viskositeettia pienentäviä leikkausvoimia.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut elimet sulan tai nestemäisen hartsin syöttämiseksi imeytyskohtaan käsittävät 10 kapillaarisen syöttöputken, joka päätyy imeytyskohtaan yhden tai useamman imeytyspään seinämään muodostetun syöttöaukon kautta.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut syöttöaukot muodostuvat yhdestä tai useammasta raosta, jotka on leikattu 15 imeytyspään seinämään.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan imeytys-pää on yhdistetty ekstruuderin ulostuloaukkoon.

20 Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan imeytyspään ulkopinta on kaareva tai tasomainen imeytysalueella.

Keksintöä kuvataan edelleen, mutta ei rajoiteta, viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa 25

Kuvio 1 on periaatteellinen piirros keksinnön mukaisesta laitteistosta sovellettuna jatkuvakuituvahvisteisen termoplastisen granulaatin valmistamiseen,

Kuvio 2 on kaavamainen kuva imeytyspäästä lasikuitukimppuradan imeyt-30 tämiseksi matriisin muodostavalla hartsilla keksinnön mukaisesti,

Kuvio 3 on yksityiskohtaisempi kuva keksinnön mukaisesta imeytyspäästä,

Kuviot 4 ja 5 ovat päätykuvantoja kuviossa 3 esitetystä imeytyspäästä, 5 83491

Kuvio 6 on yleiskuva keksinnön mukaisesta imeytyspäästä ekstruuderiin liitettynä,

Kuvio 7 on yksityiskohta imeytyspäästä, jossa on esitetty useita pyöreän poikki-5 leikkauksen omaavia syöttöaukkoja termoplastisen hartsin syöttämiseksi imeytys- kohtaan,

Kuvio 8 on yksityiskohta imeytyspäästä, jossa on yksi rakomainen syöttöaukko sulan termoplastisen hartsin syöttämiseksi imeytyskohtaan, ja 10

Kuvio 9 on yksityiskohta imeytyspäästä, jossa on kaksi rakomaista syöttöaukkoa, jotka avautuvat imeytyspään eri puolille sulan termoplastisen hartsin syöttämiseksi imeytyskohtaan.

15 Kuviossa 1 lasikuitukimppurata 10 syötetään kelalta 11 esilämmityskammion 12 ja levityslaitteen 13 läpi imeytyspäähän 18. Levityslaitteessa 13 raina 10 kuljetetaan telojen 14 muodostaman telasarjan kautta siten, että kuiturata kulkee vuorotellen telojen ylä- ja alapuolelta. Tämä levittää jossain määrin kuitukimp-puja ja helpottaa hartsin imeytymistä imeytysvaiheessa. On kuitenkin huomat-20 tava, että levityslaitteen 13 käyttäminen ei millään tavalla ole välttämätöntä eikä se muodosta osaa keksinnöstä. Imeytyspää 18 on yhteydessä ekstruuderiin 15, johon imeytettävä hartsimateriaali 16 syötetään suppilon 17 kautta. Ekstruuderis-sa 15 hartsi sulaa ja muokkautuu valmiiksi syötettäväksi keksinnön mukaiseen imeytyspäähän 18.

25

Hartsilla imeytetty kuitukimppunauha tai rata 10b kuljetetaan sitten jäähdytysyk-sikköön 19, jossa sula hartsi jähmetetään jäähdyttämällä. Jähmettäminen voi tapahtua myös kemiallisella reaktiolla, jolloin imeytetty hartsi voi sisältää kovettamiseen tarvittavat lisäaineet ja kovettamisessa voidaan luonnollisesti 30 käyttää hyväksi lisälämmitystä, mikäli tarpeen.

Jäähdytysyksiköstä 19 hartsilla imeytetyt ja kovetetut kuitukimput kuljetetaan senjälkeen leikkuriin 20, joka katkoo kuituvahvistetun tuotteen sopivan pituisiksi kappaleiksi 21, jotka ovat valmiita pakattaviksi tai käyttövalmiita tuotteiden 6 83491 valmistukseen. Keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteistolla on luonnollisesti mahdollista valmistaa myös jatkuvia kuituvahvistettuja tuotteita, jotka siinä tapauksessa leikataan kulloinkin haluttuihin pituuksiin tai jätetään kokonaan leikkaamatta.

5

Radan 10 kuljettaminen kuviossa 1 esitetyn laitteiston läpi voidaan suorittaa millä tahansa sopivalla vetolaitteella. Kuviossa 1 on kaavamaisesti esitetty hihnakäyttöinen vetolaite 22.

10 Kuviossa 2 on esitetty imeytyspää 30, jonka sisäpuolella on kapillaarinen syöttö-kanava 31. Imeytettävä sula hartsi 32 pumpataan tämän kapillaarisen kanavan 31 läpi ja hartsi saatetaan siten leikkausvoimien alaiseksi, mikä alentaa sen viskositeettia. Kapillaarisesta kanavasta 31 ulottuu syöttöaukko 33 imeytyspään 30 ulkopinnalle imeytyskohdassa 34. Kuitukimppurata 10a kulkee nuolen A osoitta-15 maan suuntaan ohi tämän imeytyskohdan 34, jolloin alennetun viskositeetin omaava hartsi tunkeutuu rataan 10a. Imeytetty rata on esitetty viitenumerolla 10b.

Kuviossa 3 on esitetty yksityiskohtaisempi kuva imeytyspäästä 30. Imeytyspää 30 20 voi olla kiinnitetty ekstruuderiin kohdassa 35. Kapillaarinen syöttökanava 31 kulkee imeytyspään 30 läpi rakomaiseen syöttöaukkoon 36, joka avautuu imeytyspään 30 pintaan kohdassa 37. Hartsi ekstruuderista virtaa syöttökanavan 31 läpi katkoviivanuolen B suuntaan ja sen viskositeetti alenee leikkausvoimien vaikutuksesta kapillaarikanavassa 31.

25

Kuvio 4 on poikkileikkaus kuvion 3 imeytyspäästä 30 nähtynä ekstruuderin puolelta ja kuvio 5 on samanlainen poikkileikkaus vastakkaiselta puolelta. Kuten kuviosta 5 parhaiten ilmenee syöttöaukko 36 voi olla rako, joka ulottuu kapillaa-rikanavasta 31 imeytyskohtaan 37. Syöttöaukko 36 voi tietenkin muodostua 30 yhdestä tai useammasta muunlaisen poikkileikkauksen omaavasta kanavasta.

Kuviossa 6 on esitetty yleiskuva imeytyspäästä 30 liitettynä ekstruuderiin 15. Imeytettävä hartsi 16 syötetään ekstruuderiin 15 suppilon 17 kautta. Ekstruude-rissa 15 hartsi sulatetaan ja muokataan ja kuljetetaan ruuvin 38 avulla ekstruude- 7 83491 rin 15 ulostuloaukkoon 35 ja edelleen kapillaarikanavaan 31. Kuviossa on nähtävissä myös imeytyskohdan 37 ohittanut rata 10b.

Kuvioissa 7 ja 8 on esitetty erilaisia syöttöaukkojen 33 muotoja. Kuviossa 7 on 5 kolme pyöreän poikkileikkauksen omaavaa aukkoa 33. Syöttöaukkoja voi olla yksi tai useampia kuitukimppuradan koko leveydellä. Kuviossa 8 on yksi rako-mainen syöttöaukko 33, jonka leveys on likimain sama kuin kuitukimppuradan leveys. Kuviossa 9 on esitetty suoritusmuoto, jossa on kaksi rakomaista syöttö-aukkoa 33, jotka avautuvat imeytyspään 30 eri puolille. Luonnollisesti rako-10 matsiakin syöttöaukkoja voi olla useampia kuin kaksi. Kuvion 7 suoritusmuodossa on myös mahdollista käyttää kahta tai useampaa syöttöaukkojen 33 ryhmää.

Vaikka keksintöä on edellä kuvattu sovellettuna liikkuvan kuitukimppurainan imeyttämiseen, on selvää, että kuitukimppurainan voi muodostaa myös paikoil-15 laan oleva raina ja imeytyspää voi olla liikkuva. Keksinnön toiminta on täsmälleen samanlainen kummassakin tapauksessa. Lisäksi on mahdollista soveltaa kahta tai useampaa keksinnön mukaista imeytyspäätä ja nämä imeytyspäät voivat sijaita imeytettävän kuiturainan samalla tai eri puolilla.

Claims (10)

1. Menetelmä kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla (32) kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden 5 tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, imeyttämällä yhden tai useamman kuitukimpun muodostamaa jatkuvaa rainaa (10,10a) sulalla tai nestemäisellä hartsilla (32) ja kovettamalla mainittu hartsi (32) jäähdyttämällä tai kemiallisella reaktiolla, tunnettu siitä, että ennen manittua imeyttämistä sula tai nestemäinen hartsimateriaali (32) saate- 10 taan alttiiksi leikkausvoimille pakottamalla se virtaamaan imeytyskohtaan (34,37) päätyvän kanavan (31) kautta, jonka läpimitta on mitoitettu riittävän pieneksi aiheuttamaan sulaan tai nestemäiseen hartsimateriaaliin (32) viskositeettia vähentäviä leikkausvoimia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sula tai nestemäinen hartsimateriaali (32) syötetään imeytyskohtaan (34,37) kapillaariputken (31) kautta, joka päätyy imeytyskohtaan yhden tai useamman syöttöaukon (33,36) kautta.

3. Jonkin edellisen patenttiovaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu matriisihartsi on termoplastinen hartsi.

4. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu termoplastinen hartsi on valittu ryhmästä olefiinien homo- ja kopoly- 25 meerit, vinyylikloridin homo- ja kopolymeerit, polyetyleenitereftalaatti, akrylonit-riilin homo- ja kopolymeerit, polyamidit ja kopolyamidit, formaldehydin termoplastiset polymeerit, polykarbonaatti, polysulfoni ja minkä tahansa kahden tai useamman edellämainitun polymeerin seokset.

5. Laite kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla (32) kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, tunnettu siitä, että se käsittää elimet jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen muodostaman rainan (10;10a) kuljettamiseksi imeytyskohdan (34,37) 9 83491 ohi ja elimet sulan tai nestemäisen hartsin (32) syöttämiseksi mainittuun imeytys-kohtaan (34,37) kanavan (31) kautta, joka on mitoitettu poikkileikkaukseltaan riittävän pieneksi aiheuttamaan sulaan tai nestemäiseen hartsimateriaaliin (32) viskositeettia pienentäviä leikkausvoimia. 5

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut elimet sulan tai nestemäisen hartsin syöttämiseksi imeytyskohtaan (34,37) käsittävät kapillaarisen syöttöputken (31), joka päätyy imeytyskohtaan (34,37) yhden tai useamman imeytyspään seinämään muodostetun syöttöaukon (33,36) 10 kautta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut syöttöaukot (33,36) muodostuvat yhdestä tai useammasta raosta, jotka on leikattu imeytyspään seinämään. 15

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että imeytys-pää (30) on yhdistetty ekstruuderin (15) ulostuloaukkoon (35).

8 83491

9. Patenttivaatimuksien 6-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että imeytys-20 pään (30) ulkopinta on kaareva tai tasomainen imeytysalueella.

10 83491