FI91373B - Menetelmä ja laite jatkuvan kuitukimpun imeyttämiseksi - Google Patents

Description

91373

Menetelmä ja laite jatkuvan kuitukimpun imeyttämiseksi Förfarande och anordning för att impregnera ett kontinuerligt fiberknippe 5

Esilläoleva keksintö koskee menetelmää ja laitetta jatkuvan kuitu-kimpun imeyttämiseksi. Keksinnön mukainen menetelmä ja laite soveltuu 10 kuitukimppujen imeyttämiseen sulalla tai juoksevalla hartsilla valmistettaessa sellaisia kuituvahvistettuja materiaaleja, jotka muodostuvat lujitekuitukimpusta tai -kimpuista sidottuna matriisin muodostavalla termoplastisella hartsimateriaalilla.

15 Suurin ongelma tämän tyyppisiä tuotteita valmistettaessa on tiettyjen matriisihartsin muodostavien materiaalien korkea viskositeetti. Koska yksittäiset kuidut kuitukimpuissa ovat hyvin tiheässä lähellä toisiaan, hartsimateriaalin on vaikeaa tunkeutua kuitukimpun sisään ja ympäröidä kaikki yksittäiset kuidut. Tämä olisi kuitenkin välttämätön-20 tä tuotteen ominaisuuksien, kuten lujuuden, jäykkyyden, kemiallisen kestävyyden, edelleen prosessoitavuuden jne kannalta.

Ongelmalle on yritetty kehittää monia ratkaisuja. Eräässä menetelmässä kuitukimput kuljetetaan ns. ristipääsuuttimen läpi, jossa sulaa tai 25 nestemäistä hartsia saatetaan tunkeutumaan suutinkammion läpi kulkeviin kuitukimppuihin korotetussa paineessa. Ristipääsuutinmenetelmä on osoittautunut tehottomaksi kuitukimppujen imeyttämiseksi termoplastisella hartsilla, koska kaikki yksittäiset kuidut eivät tule ympäröidyksi hartsilla huolimatta siitä, että kuidut ovat imeytysvaiheen 30 aikana korotetussa paineessa. Vahvikekuitujen imeytyksessä hartsin viskositeettialue 1-10 PaS olisi ihanteellinen, tavallinen suuruus-‘ luokka on 102 PaS ja joissakin tapauksissa suuruusluokka 103 PaS voi olla hyväksyttävissä. Tyypillinen viskositeettialue sulille termoplastisille hartseille on kuitenkin luokkaa 102-106 PaS, joten on sel-35 vää, että kyseisellä ristipääsuutinmenetelmällä ei voida aikaansaada kaikkien yksittäisten kuitujen ympäröitymistä hartsilla.

Julkaisun GB 1 289 136 mukaisessa menetelmässä löysä kuitukimppu joh- 2 detaan imeytyskammioon elastisen sisääntuloaukon läpi, joka muotoilee kimpun haluttuun poikkileikkausmuotoon. Imeyttäminen tapahtuu hartsi-kylvyssä. Hartsi ei virtaa suuttimista suoraan kuitukimpun läpi alhaisempaan paineeseen, vaan kuitukimppu on koko ajan joka puolelta alhai-5 semmassa paineessa olevassa hartsikylvyssä.

Esilläoleva keksintö aikaansaa menetelmän ja laitteen jatkuvan kuitu-kimpun tai -kimppujen imeyttämiseksi sulalla tai juoksevalla kovettuvalla hartsilla siten, että yksittäisetkin kuidut tulevat hartsilla 10 ympäröidyiksi. Keksinnön mukainen menetelmä jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen imeyttämiseksi sulalla tai juoksevalla kovettuvalla hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun matriisihartsin ympäröimänä, jolloin mainitut kuitukimput ohjataan kulkemaan suutinaukon yli siten, 15 että hartsi virtaa suuttimesta korkeammasta paineesta kuitukimpun läpi alhaisempaan paineeseen on tunnettu siitä, että sula hartsi saatetaan purkautumaan suuttimesta alemmassa paineessa olevaan sulaan hartsiin.

Keksinnön mukaisen menetelmän yksinkertaisimmassa suoritusmuodossa 20 imeytettävä kuitukimppu tai -kimput johdetaan suutinpään aukon yli, josta purkautuu sulaa hartsia korotetulla paineella. Suutin voi olla yhdistetty esimerkiksi ektruuderiin, jossa muovin sulatus ja muokkaaminen tapahtuu, tai säiliöön, jossa lämpökovettuvan hartsin aineosat sekoitetaan. Imeytettävä kuitukimppu voi tällöin olla atmosfäärisessä 25 paineessa tai haluttaessa vielä alemmassa paineessa.

Keksinnön mukaisen menetelmän erään suoritusmuodon mukaan suutinpää sijaitsee kammiossa, joka sisältää sulaa hartsia, jonka läpi imeytettävät kuitukimput virtaavat. Kammiossa vallitsee tällöin alhaisempi 30 paine kuin suuttimessa, josta sula termoplastinen hartsi virtaa ulos.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista valmistaa mitä tahansa kuituvahvistettua materiaalia, jossa kuidut ovat kimppujen muodossa. Kuidut voivat olla mitä tahansa kuituja, jotka ovat sidottavissa 35 matriisihartsiin. Sellaisia tuotteita ovat esimerkiksi pitkäkuituvah-visteiset granulaatit ruiskupuristusvalua ja muita prosesseja varten, esikovetteet tai esi-imeytetyt materiaalit tavanomaisia prosesseja 3 91373 kuten pultruusiota, filamenttikelausta, teippilaminointia ym. varten. Prosessissa valmistuva tuote on jatkuva nauha, jota voidaan käyttää pultruusioon jne. Tuote muodostaa katkottuna sopivaan pituuteen =3-20 f mm pitkäkuitugranulaatteja.

5

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

15 Kuituvahvistetun materiaalin vahvikekuitujen sidontaan käytettävä hartsimateriaali voi olla esimerkiksi termoplastista hartsia, joka imeytetään kimppuihin sulana, tai lämpökovettuvaa hartsia, joka jähmetetään imeytyksen jälkeen ulkoisen energian kuten lämmön, kemiallisen reaktion, UV-säteilyn, magneettikentän, radiosäteilyn ym. avulla.

20

Sopivia termoplastisia hartseja ovat mm. olefiinien homo- ja kopoly-meerit, vinyylikloridin homo- ja kopolymeerit, polyetyleeniterefta-laatti, akrylonitriilin homo- ja kopolymeerit, polyamidit ja kopoly-amidit, formaldehydin termoplastiset polymeerit, polykarbonaatti, 25 polysulfoni ja minkä tahansa kahden tai useamman edellämainitun polymeerin seokset.

Keksintö koskee myös laitetta jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen imeyttämiseksi sulalla tai juoksevalla kovettuvalla hartsilla siten, 30 että yksittäisetkin kuidut tulevat hartsilla ympäröidyiksi. Keksinnön mukainen laite jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen imeyttämiseksi sulalla tai juoksevalla kovettuvalla hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun matriisihartsin ympäröimänä, joka laite sisältää yhden tai 35 useamman suutinelimen, joka sisältää suutinaukon hartsin johtamiseksi kuitukimppujen läpi, on tunnettu siitä, että se sisältää imeytyskammi-on, jossa imeyttäminen tapahtuu mainittujen suutinelimien avulla ja 4 jossa vallitseva paine on alhaisempi kuin suuttimessa vallitseva paine .

Keksinnön mukainen laite jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen imeyttä-5 miseksi sulalla tai juoksevalla kovettuvalla hartsilla kuituvahviste-tun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun matriisihartsin ympäröimänä on tunnettu siitä, että se käsittää yhden tai useamman suutinelimen, joka sisältää suu-tinaukon sulan termoplastisen tai lämpökovettuvan hartsin johtamiseksi 10 korkeammasta paineesta alempaan paineeseen, ja elimet mainittujen kuitukimppujen ohjaamiseksi mainitun suutinaukon yli siten, että suu-tinaukosta virtaava korkeammassa paineessa oleva hartsi virtaa kuitu-kimppujen läpi alempaan paineeseen.

15 Keksinnön mukaisen laitteen erään suoritusmuodon mukaan se sisältää imeytyskammion, jossa imeyttäminen tapahtuu ja jossa vallitseva paine on alhaisempi kuin suuttimessa vallitseva paine.

Keksinnön mukaisen laitteen erään toisen suoritusmuodon mukaan kuitu-20 kimput johdetaan kammion läpi kammiossa sijaitsevan yhden tai useamman suutinelimen suutinaukon yli. Tällöin voidaan soveltaa ns. ristipää-suutinmenetelmää sellaisella tavalla, että imeytyskammio ei ole suoraan kytketty esimerkiksi ekstruuderille, joka aikaansa tarvittavan imeytyspaineen. Sensijaan sula hartsi virtaa korkeammasta paineesta 25 suuttimen kammioon, jossa vallitsee alhaisempi paine ja josta ylimääräinen hartsi voi poistua vapaasti ja se voidaan palauttaa takaisin ekstruuderin syöttöpuolelle. Tällöin aikaansaadaan kaksinkertainen imeytysvaikutus, koska imeytettävä kuitukimppu virtaa kammiossa olevan sulan hartsin läpi ja samalla se kulkee suutinaukon yli, josta purkau-30 tuu sulaa paineenalaista hartsia suoraan kuitukimpun läpi.

Keksinnön mukaisen laitteen erään suoritusmuodon mukaan imeytyskammio voi lisäksi sisältää elimiä, jotka muotoilevat imeytettävää kuitukimp-pua esimerkiksi litistämällä ja levittämällä kuitukimppurataa, mikä 35 helpottaa hartsin purkautumista kuitukimppujen läpi. Muotoilue1imet voivat olla esimerkiksi tankomaisia elimiä, joiden suuntaus voi olla vaaka- tai poikkisuuntaan tai vinoon suuntaan imeytettävään kuitukimp- 5 91373 punauhaan nähden.

Keksintöä kuvataan edelleen, mutta ei rajoiteta, viittaamalla oheisiin ϊ kuvioihin, joissa 5

Kuvio 1 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen laitteen yksinkertaista suoritusmuotoa,

Kuviossa 2 on esitetty kaksi suutinelintä, jotka sijaitsevat eri puo-10 lilla imeytettävää kuitukimppunauhaa, ja

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista imeytyslaitteistoa, joka sisältää imeytyskammion.

15 Kuviossa 1 kuitukimppu tai kuitukimppunauha 10 kulkee nuolella A merkittyyn suuntaan suuttimen 11 suutinaukon 13 yli. Suuttimen 11 läpi kulkee suutinkanava 12, jonka kautta sulaa termoplastista hartsia virtaa (nuoli B) korkeammasta paineesta, esimerkiksi ekstruuderista (ei esitetty). Sula hartsi pakotetaan tällöin purkautumaan suutinaukon 20 13 kautta kuitukimppunauhan 10 läpi, jolloin kuidut tulevat ympäröi dyiksi sulalla hartsilla. Imeytetty kuitukimppunauha voidaan senjäl-keen muotoilla ja kovettaa sinänsä tunnetuilla ei-esitetyillä tavoilla.

25 Kuviossa 2 on esitetty kaksi suutinta 11, jotka sijaitsevat eri puolilla kuitukimppunauhaa 10. Kuitukimppunauhan 10 läpi virtaa tällöin sulaa hartsia kahteen kertaan, mutta hartsin virtaussuunnat (nuolet B) ovat vastakkaiset, mikä tehostaa imeytymistä.

30 Kuviossa 3 on esitetty imeytyslaite 20, joka sisältää imeytyskammion 21. Imeytyskammioon johtaa suutinkanava 22, joka on yhteydessä esimerkiksi ekstruuderiin (ei esitetty). Suutinkanava 22 päättyy imeytys-kammiossa 21 suuttimeen 23 suutinaukon 24 kautta. Kammiossa 21 on lisäksi poistoaukko 25, jonka kautta ylimääräinen sula hartsi johde-35 taan pois kammiosta 21 ja se voidaan palauttaa takaisin ekstruuderiin. Imeytettävä kuitukimppunauha 10 johdetaan kammioon 21 sisääntuloaukon 26 ja sisääntulokanavan 27 kautta, joka on riittävän ahdas estämään 6 sulaa hartsia vuotamasta kammiosta 21 tätä kautta. Imeytetty kuitu-kimppunauha poistuu imeytyskammiosta 21 ulostulokanavan 28 ja ulos-tuloaukon 29 kautta.

5 Koska kuvion 3 mukaisessa laitteessa imeytyskammioon 21 on järjestetty poistoaukko 25, joka on yhteydessä ulkoilmaan tai joka tapauksessa alhaisempaan paineeseen, aikaansaadaan täten sulan hartsin purkautuminen korkeammasta paineesta (kanavasta 22) kuitukimppunauhan 10 läpi alempaan paineeseen (kammio 21). Luonnollisesti suuttimia 24 voi olla 10 yksi tai useampia ja ne voivat sijaita samalla tai eri puolilla kuitu-kimppurataa 10. Lisäksi kammiossa 21 on edullisesti yksi tai useampia ohjauselimiä, esimerkiksi tankoja 30, joiden avulla imeytettävää kui-tukimppunauhaa voidaan ohjata ja muotoilla ennen imeytyskohtaa tai sen jälkeen.

15

Lisäksi on mahdollista soveltaa keksinnön mukaisessa menetelmässä ja laitteessa jotakin imeytettävän hartsin esikäsittelyä, joka alentaa sen viskositeettia. Mikäli käytetään kuvion 3 mukaista laitteistoa, on myös mahdollista johtaa kammioon 21 jotakin muuta sulaa hartsia kuin 20 mitä suuttimesta 24 johdetaan tai myös muuta käsittelyainetta, esimerkiksi kostutusainetta tms.

Claims (5)

91373

1. Menetelmä jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen (10) imeyttämiseksi sulalla tai juoksevalla kovettuvalla hartsilla kuituvahvistetun g materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useam man kuitukimpun (10) matriisihartsin ympäröimänä, jolloin mainitut kuitukimput (10) ohjataan kulkemaan suutinaukon (13,24) yli siten, että hartsi virtaa suuttimesta (11,23) korkeammasta paineesta kuitu-kimpun (10) läpi alhaisempaan paineeseen, tunnettu siitä, Ίq että sula hartsi saatetaan purkautumaan suuttimesta (11,23) alemmassa paineessa olevaan sulaan hartsiin.

1 Patenttivaatimukset

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu alemmassa paineessa oleva hartsi on kammiossa (21), Ί5 jonka läpi kuitukimput (10) ohjataan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että korkeampi paine aikaansaadaan ekstruuderissa.

4. Laite jatkuvan kuitukimpun tai -kimppujen (10) imeyttämiseksi sulalla tai juoksevalla kovettuvalla hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun (10) matriisihartsin ympäröimänä, joka laite sisältää yhden tai useamman suutinelimen (23), joka sisältää suutinaukon (24) 25 hartsin johtamiseksi kuitukimppujen (10) läpi, tunnettu siitä, että se sisältää imeytyskammion (21), jossa imeyttäminen tapahtuu mainittujen suutinelimien (23) avulla ja jossa vallitseva paine on alhaisempi kuin suuttimessa (23) vallitseva paine.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että suutinelimet (23) on yhdistetty ekstruuderiin ja että ylimäärä sulaa hartsia palautetaan takaisin ekstruuderiin. 35