ITMI20011713A1 - Apparecchiatura di pultrusione a stampo chiuso e metodo per preparareun composito pultruso - Google Patents

Description

Descrizione di una domanda di brevetto per invenzione

DESCRIZIONE

Stato dell’arte dell’ invenzione

La presente invenzione riguarda un’apparecchiatura a stampo chiuso ed un metodo per preparare con l’apparecchiatura un composito pultruso termoplastico o termoindurente.

I processi conosciuti per la produzione tramite pultrusione di compositi rinforzati in fibra continua sono ben noti.

In un tipico processo di pultrusione, un fascio di fibre continue o un feltro viene fatto passare attraverso un bagno di materiale plastico liquido per impregnare di resina il fascio.

II fascio di fibre impregnato viene quindi compattato e fatto passare attraverso uno stampo di pultrusione o polimerizzazione dove le fibre assumono una forma desiderata ed il materiale plastico polimerizza (si veda Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd Edition, Voi. 4, John Wiley & Sons, New York, pagg. 1-28 (1986) ed il brevetto US Nr.

6,048,427).

Per esempio, nel brevetto US Nr. 4,559,262 Cogswell et al. descrivono un composito rinforzato in fibra ottenuto trascinando uno stoppino di filamenti continui attraverso un bagno di polimero termoplastico fuso sopra una barra di spalmatura nel bagno, indi sottoponendo a trazione lo stoppino impregnato attraverso uno stampo di piccolo diametro nella parete e raffreddando quindi lo stoppino impregnato.

Nel brevetto US Nr. 5,891,560, Edwards et al. descrivono un’apparecchiatura di pultrusione che provvede a sottoporre a trazione un fascio di fibre attraverso una stazione di preriscaldamento, indi attraverso un’unità di pretensionamento delle fibre in cui le fibre vengono distribuite per favorire l’impregnazione, poi attraverso un’unità d’impregnazione in cui il fascio di fibre viene bagnato.

Edwards et al. dimostrano che utilizzando un poliuretano termoplastico ad uso ingegneristico avente una Tg non inferiore a 50°C, è possibile preparare un composito pultruso termoplastico ad elevato peso molecolare con efficiente impregnazione ed eccellenti proprietà fisiche.

Sfortunatamente, i bagni di resina dei processi del precedente stato dell’arte danno luogo a perdite di materiale plastico in quantità significative, il che si traduce in un significativo aumento dei costi d’esercizio.

Secondariamente, molti materiali plastici emettono sostanze organiche volatili (SOV) che sono sottoposte a regolamentazione da parte di diversi enti governativi.

La conformità a queste regolamentazioni è parimenti una questione costosa. I bagni di resina di molti dei processi del precedente stato dell’arte sono aperti all’atmosfera ed implicano l’uso di grosse quantità di materiale plastico.

Conseguentemente, in anni recenti, l’iniezione di resina ha cominciato a sostituire i bagni di resina quale mezzo per impregnare fasci di fibre e feltri. II brevetto US Nr. 6,048,427 di Gauchel et al. descrive un’apparecchiatura del genere ed un metodo per realizzare fasci di fibre efficientemente impregnati con quantità ottimali di materiale plastico.

Rimane nel settore della pultrusione la necessità di preparare materiali compositi rinforzati in fibra continua o feltro in maniera efficiente, efficace e con perdite minime.

Riassunto dell’ invenzione

La presente invenzione propone una strada per la carenza sopra descritta fornendo un’apparecchiatura per preparare un composito termoplastico o termoindurente rinforzato in fibra continua costituita da uno stampo chiuso a temperatura controllata avente a) un’apertura d’ingresso della resina per l’introduzione della resina fusa nello stampo, b) un’apertura d’ingresso delle fibre, in posizione prossima all’apertura d’ingresso della resina, per l’introduzione di fibre continue o di un feltro nello stampo; e c) un’apertura d’uscita in posizione distale rispetto all’apertura d’ingresso della resina e all’apertura d’ingresso delle fibre, dove l’apertura d’ingresso delle fibre e l’apertura d’uscita sono dimensionati in modo da consentire alle fibre o al feltro impregnati di resina di fluire attraverso l’apertura d’uscita ma non di retrofluire attraverso l’apertura d’ingresso.

In un secondo aspetto, la presente invenzione è un metodo per preparare un composito termoplastico o termoindurente rinforzato in fibra costituito dalle fasi di: a) alimentazione delle fibre in un’apertura d’ingresso delle fibre di uno stampo chiuso a temperatura controllata; b) concomitante alimentazione di una resina in un’apertura d’ingresso della resina dello stampo chiuso in modo che la resina sia a diretto contatto con le fibre a formare fibre impregnate di resina all’ interno dello stampo; c) trascinamento delle fibre impregnate di resina attraverso un’apertura d’uscita; dove l’apertura d’ingresso delle fibre è dimensionata in maniera tale che la resina alimentata attraverso l’apertura d’ingresso della resina non retrofluisca attraverso l’apertura d’ingresso delle fibre.

Breve descrizione dei disegni

- La Fig. 1 è un’illustrazione di uno stampo chiuso.

- La Fig. 2 è un’illustrazione di protuberanze nello stampo chiuso.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

L’apparecchiatura della presente invenzione è costituita da uno stampo chiuso a temperatura controllata avente due tipi di aperture d’ingresso in stretta vicinanza, ossia un’apertura d’ingresso opportunamente dimensionata per l’introduzione di un fascio di fibre o di un feltro di fibre (d’ora in avanti l’apertura d’ingresso delle fibre) e un’apertura d’ingresso per l’introduzione della resina (d’ora in avanti l’apertura d’ingresso della resina).

In questo contesto, con l’espressione feltro di fibre s’intende un feltro continuo, un feltro sminuzzato, o feltri tessuti.

Lo stampo comprende anche un’apertura d’uscita per il passaggio della fibra o del feltro impregnati di resina (d’ora in avanti fibra impregnata o composito).

In questo contesto, l’espressione apertura d’ingresso è da intendersi come almeno un’apertura d’ingresso e l’espressione apertura d’uscita è da intendersi come almeno un’apertura d’uscita.

Preferibilmente, la camera comprende una molteplicità di aperture d’ingresso delle fibre disposte in maniera alternata ad una molteplicità di aperture d’ingresso della resina, cosicché la resina iniettata verrà a trovarsi a diretto contatto con ciascun feltro o fascio di fibre (d’ora in avanti fascio di fibre) passante attraverso le aperture d’ingresso delle fibre.

La temperatura dello stampo può essere controllata per mezzo di qualsiasi strumento idoneo comprese lampade ad infrarossi, camicie riscaldanti, nastro riscaldante, e simili.

La Fig. 1 è un’illustrazione di una forma di realizzazione preferita dell’apparecchiatura della presente invenzione.

L’apparecchiatura (10) comprende uno stampo (12) a temperatura controllata, preferibilmente riscaldato, avente una molteplicità di aperture d’ingresso delle fibre (14) disposti in maniera alternata ad una molteplicità di aperture d’ingresso della resina (16).

Lo stampo riscaldato contiene preferibilmente protuberanze impregnanti quali perni d’impregnazione (18) attorno ai quali la fibra passa prima sopra e poi sotto (o viceversa) per favorire l’impregnazione della resina nei fasci di fibre (indicati con (19), ma non facenti parte dell’ apparecchiatura). Inoltre, un mezzo di rilevazione (20) della pressione o del volume della resina nello stampo è collegato con lo stampo ed anche un sistema di controllo della pressione o del volume può facoltativamente essere incluso come parte dell’apparecchiatura (per es., un circuito a retroazione a pressione o a sensore).

Lo stampo ha anche un’apertura d’uscita (22) dove i fasci di fibre o i feltri impregnati convergono. Le aperture d’ingresso delle fibre (14) e l’apertura d’uscita (22) sono dimensionate in maniera tale per cui la resina non può retrofluire attraverso le aperture d’ingresso delle fibre (14).

Questa caratteristica di dimensionamento insieme ai mezzi di rilevazione della pressione o del volume della resina e all’uso di aperture d’ingresso multiple ravvicinate per la resina e per le fibre, favorisce un efficiente impiego della resina assicurando ottimale impregnazione della resina nelle fibre o nei feltri.

L’apparecchiatura preferibilmente comprende un mezzo per compattare il composito, un mezzo per sagomare e/o dimensionare il composito compattato e preferibilmente un secondo mezzo per controllare la temperatura, ed un mezzo per la finitura del composito sagomato e/o dimensionato. Convenientemente, il mezzo per la compattazione, il mezzo per sagomare e/o dimensionare ed il mezzo per la finitura possono tutti trovarsi in una singola ed annessa apparecchiatura.

La Fig. 2 illustra altri due tipi di protuberanze per l’impregnazione.

La Fig. 2A mostra un condotto sinusoidale (18°) attraverso il quale passa il fascio di fibre (19), e la Fig. 2B mostra una serie di canali aperti sfalsati (18b) attorno ai quali il fascio di fibre passa prima sopra e poi sotto.

In un secondo aspetto, la presente invenzione è un metodo per preparare un composito termoplastico o termoindurente rinforzato in fibra costituito dalle fasi di: a) alimentazione delle fibre in un’apertura d’ingresso delle fibre di uno stampo chiuso a temperatura controllata; b) concomitante alimentazione di una resina in un’apertura d’ingresso della resina dello stampo chiuso in modo che la resina sia a diretto contatto con le fibre a formare fibre impregnate di resina aH’intemo dello stampo; c) trascinamento delle fibre impregnate di resina attraverso un’apertura d’uscita; in cui l’apertura d’ingresso delle fibre è dimensionata in maniera tale che la resina alimentata attraverso l’apertura d’ingresso della resina non retrofluisca attraverso l’apertura d’ingresso delle fibre.

Come prima, “fibre” è da intendersi come fibre o feltri, e apertura d’ingresso delle fibre, apertura d’ingresso della resina e apertura d’uscita sono tutte da intendersi come una o più aperture.

Il metodo della presente invenzione può anche essere evinto dalla Fig. 1. In questo caso, la fibra (19) è una parte dell’invenzione come lo è la resina (non indicata). In un metodo preferito della presente invenzione, i fasci di fibre (19) da una molteplicità di scaffali di stoccaggio delle fibre vengono tirati attraverso le aperture d’ingresso delle fibre (14) dello stampo riscaldato (12) insieme alla concomitante alimentazione della resina attraverso le aperture d’ingresso della resina (16).

La quantità ottimale di resina può essere mantenuta nello stampo per mezzo di un sensore di pressione (20) collegato con l’apertura d’ingresso della resina ( 16) per assicurare la completa impregnazione della resina nella fibra ed assicurare che il fascio di fibre impregnato esca attraverso l’apertura d’uscita minimizzando la resina in eccesso.

La Fig. 1 mostra che la molteplicità di fasci impregnati di resina viene compattata in corrispondenza di un’apertura d’uscita singola (22), sebbene per determinate applicazioni possano essere auspicabili anche aperture d’uscita multiple.

Infine, il composito compattato può quindi essere sagomato, dimensionato e finito tutto all’interno di un singolo stampo chiuso, se desiderato.

La resina del metodo della presente invenzione non ha limitazioni e può essere termoplastica o termoindurente.

Un esempio di un materiale termoplastico preferito è un poliuretano termoplastico ad uso ingegneristico, disponibile in commercio come poliuretano termoplastico ISOPLASTTM (un marchio commerciale di The Dow Chemical Company) che è descritto tra l’altro da Edwards et al. nel brevetto US Nr. 5,891,560.

Un esempio di una resina termoindurente preferita è una resina fenolica. L’apparecchiatura ed il metodo della presente invenzione consentono la preparazione di materiali compositi con capacità produttive più elevate e con una sostanziale diminuzione delle perdite di resina.

A seconda del la resina utilizzata, i compositi pultrusi sono utili in svariate applicazioni che comprendono armatura del cemento, passerelle porta-cavi, cavi per fibre ottiche, scale a pioli, tubazioni e legname da costruzione.

Dimensionamento degli aperture d’ingresso e d’uscita per l’apparecchiatura a stampo chiuso e velocità di linea.

Il dimensionamento delle aperture d’ingresso e d’uscita varierà a seconda delle fibre di rinforzo utilizzate, della dimensione e della forma del profilo finale desiderato, della reologia del polimero e della velocità di linea desiderata.

Con riferimento alla Fig. 1, usando un vetro a 4800 tex e una stoppa di fibra per ogni apertura d’ingresso delle fibre, le aperture d’ingresso delle fibre sono dimensionate con diametro di circa 3 mm e lunghezza d’ingresso di circa 50 mm.

Il dimensionamento dell’apertura d’ingresso della resina è convenientemente determinato usando la teoria della cavità infinita con la resina entrante nello stampo attraverso strette scanalature che sono commisurate all’intera larghezza degli strati di fibre.

Per il poliuretano termoplastico ISOPLASTTM (un marchio commerciale di The Dow Chemical Company) le scanalature hanno una luce di circa 0,5 mm. L’apertura d’uscita è dimensionata in modo da corrispondere all’area della sezione trasversale del composito finale ed ha una lunghezza di appoggio di circa 100 mm per una velocità desiderata di 4m/min. L’imboccatura dell’ apertura d’uscita ha un angolo di rastremazione compreso tra 20° e 50°.

La potenzialità della linea dell’apparecchiatura a stampo chiuso varia a seconda della dimensione e della qualità del profilo desiderato così come della capacità di raffreddamento della linea, ma generalmente è di un ordine compreso tra 0,5 m/min e 10 m/min, normalmente circa 4 m/min per compositi termoplastici e circa 1 m/min per compositi termoindurenti.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un’apparecchiatura per preparare un composito termoplastico o termoindurente rinforzato in fibra continua costituita da uno stampo chiuso a temperatura controllata avente a) un’apertura d’ingresso della resina per l’introduzione della res ina fusa nello stampo b) un’apertura d’ingresso delle fibre, in posizione prossima all’apertura d’ingresso della resina, per l’introduzione di fibre continue o di un feltro nello stampo; e c) un’apertura d’uscita in posizione distale rispetto all’apertura d’ingresso della resina e all’apertura d’ingresso delle fibre, dove l’apertura d’ingresso delle fibre e l’apertura d’uscita sono dimensionate in modo da consentire alle fibre o al feltro impregnati di resina di fluire attraverso l’apertura d’uscita ma non di retrofluire attraverso l’apertura d’ingresso.
2. 2. L’apparecchiatura della rivendicazione 1 che comprende una molteplicità di aperture d’ingresso delle fibre disposte in maniera alternata ad una molteplicità di aperture d’ingresso della resina.
3. 3. L’apparecchiatura della rivendicazione 2 che contiene inoltre una molteplicità di protuberanze d’impregnazione situate all’ interno dello stampo.
4. 4. L’apparecchiatura della rivendicazione 2 che comprende un mezzo per rilevare la pressione o il volume collegato con gli aperture d’ingresso della resina.
5. 5. L’apparecchiatura della rivendicazione 4 che comprende inoltre una sezione di compattazione collegata con l’apertura d’uscita dello stampo.
6. 6. L’apparecchiatura della rivendicazione 4 che comprende inoltre una sezione di sagomatura collegata con la sezione di compattazione.
7. 7. L’apparecchiatura della rivendicazione 4 che comprende inoltre una sezione di dimensionamento collegata con la sezione di sagomatura.
8. 8. L’apparecchiatura della rivendicazione 4 che comprende inoltre una sezione di finitura collegata con la sezione di dimensionamento.
9. 9. Un’apparecchiatura per preparare un composito termoplastico o termoindurente rinforzato in fibra continua costituita da uno stampo chiuso riscaldato avente a) una molteplicità di aperture d’ingresso della resina per l’introduzione della resina fusa nello stampo, b) una molteplicità di aperture d’ingresso delle fibre per l’introduzione di fibre continue o di un feltro nello stampo, in cui le aperture d’ingresso delle fibre sono disposte in maniera alternata alle aperture d’ingresso della resina; c) un’apertura d’uscita in posizione distale rispetto alle aperture d’ingresso della resina e alle aperture d’ingresso delle fibre, dove l’apertura d’ingresso delle fibre e l’apertura d’uscita sono dimensionate in modo da consentire alle fibre o al feltro impregnati di resina di fluire attraverso l’apertura d’uscita ma non di retrofluire attraverso l’apertura d’ingresso; d) un sensore di pressione o di livello collegato con le aperture d’ingresso della resina; e) un circuito a retroazione di pressione o di livello accoppiato al sensore; f) una sezione di compattazione collegata con l’apertura d’uscita; g) una sezione di sagomatura collegata con la sezione di compattazione; h) una sezione di dimensionamento collegata con la sezione di sagomatura; e i) una sezione di finitura collegata con la sezione di dimensionamento.
10. 10. Un metodo per preparare un composito termoplastico o termoindurente rinforzato in fibra costituito dalle fasi di: a) alimentazione delle fibre in un’apertura d’ingresso delle fibre di uno stampo chiuso a temperatura controllata; b) concomitante alimentazione di una resina in un’apertura d’ingresso della resina dello stampo chiuso in modo che la resina sia a diretto contatto con le fibre a formare fibre impregnate di resina all’intemo dello stampo; c) trascinamento delle fibre impregnate di resina attraverso un’apertura d’uscita; dove l’apertura d’ingresso delle fibre è dimensionata in maniera tale che la resina alimentata attraverso l’apertura d’ingresso della resina non retrofluisca attraverso l’apertura d’ingresso delle fibre.
11. 11. Il metodo della rivendicazione 10 in cui le fibre vengono alimentate attraverso una molteplicità di aperture d’ingresso delle fibre e la resina viene alimentata attraverso una molteplicità di aperture d’ingresso della resina, e in cui le aperture d’ingresso delle fibre sono disposte in maniera alternata alle aperture d’ingresso della resina.
12. 12. Il metodo della rivendicazione 11 che comprende inoltre la fase di passaggio delle fibre attraverso una molteplicità di protuberanze d’impregnazione per migliorare l’impregnazione della resina nelle fibre.
13. 13. Il metodo della rivendicazione 11 che comprende inoltre la fase di rilevazione del livello della resina nello stampo per mezzo di un sensore di pressione o di livello collegato con le aperture d’ingresso della resina.
14. 14. Il metodo della rivendicazione 13 che comprende inoltre la fase di controllo del livello della resina nello stampo per mezzo di un circuito a retroazione di pressione o di livello collegato con il sensore di pressione o di livello.
15. 15. Il metodo della rivendicazione 12 che comprende inoltre la fase di compattazione delle fibre impregnate di resina.
16. 16. Il metodo della rivendicazione 15 che comprende inoltre la fase di sagomatura delle fibre impregnate di resina.
17. 17. Il metodo della rivendicazione 16 che comprende inoltre la fase di dimensionamento delle fibre impregnate di resina.
18. 18. Il metodo della rivendicazione 17 che comprende inoltre la fase di finitura delle fibre impregnate di resina. Il tutto come sostanzialmente descritto, illustrato, rivendicato e per gli scopi ivi specificati.