NO174189B

NO174189B - Fremgangsm}te for fremstilling av en fiberarmert plaststruktur

Info

Publication number: NO174189B
Application number: NO873137A
Authority: NO
Inventors: Ian Stedman Biggs; Bronislaw Radvan
Original assignee: Wiggins Teape Group Ltd
Priority date: 1986-07-31
Filing date: 1987-07-27
Publication date: 1993-12-20
Also published as: KR950012789B1; BR8703880A; FI92302C; EP0255314B1; AU599682B2; DK389487D0; EP0255314A2; US4964935A; DE3789473T2; IE872026L; FI873261A0; GB8618726D0; ATE103534T1; ZA875502B; DK172224B1; AU7614187A; PT85419B; JP2691402B2; DK389487A; NO873137L

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av en fiberarmert plaststruktur med en første i det vesentlige ugjennomtrengelig, konsolidert del og en andre ikke-konsolidert, porøs del, omfattende å laminere et første ark av fiberarmert termoplastisk materiale til et andre ark av fiberarmert termoplastisk materiale, å anbringe laminatet i en form og å legge på trykk ved en temperatur over smeltetemperaturen for det termoplastiske materiale, der det som en vesentlig andel av fibrene anvendes adskilte, diskrete glassfibre med en lengde mellom 7 og 50 mm og med en diameter på 13 pm eller mindre og med en elastisitetsmodul over 10 000 mPa.

Som beskrevet i EP-publ. 0 148 763 er den deri beskrevne oppfinnelsesgjenstand et konsolidert termoplastisk materiale som er forsterket med lange, stive fibre som ekspanderer når de oppvarmes til en temperatur slik at viskositeten i det termoplastiske materiale er tilstrekkelig redusert til å tillate bevegelse av fibrene; noe som skyldes avlastning av belastninger i fibernettverket. Dette fenomen opptrer i varierende grad avhengig av type/kvalitet av termoplasten, andelen i fibre samt type/dimensjoner av fibrene.

Når et slikt materiale oppvarmes og ekspanderes kan det støpes til form på to måter: 1) Konvensjonelt hvorved en charge av materialet anbringes i formen som når den lukkes tvinger materialet til å strømme og helt og fylle formhulrommene. En gjenstand fremstilt på denne måte er helt konsolidert (fortettet) og kan bringes til å inneholde intrikate detaljer som fullt ut er forsterket med glassfibre. Avhengig av den tilsiktede anvendelse er en slik gjenstand enten ferdig for bruk eller den kan belegges/bemales med egnede materialer. Imidlertid kan den ikke impregneres på grunn av den helt ut fortettede tilstand. 2) Et ark av varmt, ekspandert materiale innføres for å dekke den nedre verktøydel av formen. Massen i dette ark er utilstrekkelig til å fylle formen i helt ut fortettet tilstand, slik at når formen lukkes til grensen av sin bevegelsesvei, dannes det en semikonsolidert form med en restporøsitet. Denne porøse art kan benyttes som et middel hvorved produktet kan impregneres med en væske (harpiks) hvis ønskelig. Imidlertid er en mangel ved denne formings-teknikk at de flytstøpte detaljer (som dype ribber) ikke kan dannes uten å miste porøsitet i strømningsområdet. Hvis således enhetlig impregnering er krevet på en overflate av gjenstanden kan et visst offer når det gjelder graden av fiberforsterket støpt detalj på den andre side være nødvendig.

Oppfinnelsen som her beskrives angir en fremgangsmåte ved hvilken det er mulig å fremstille en gjenstand med fordelene ved begge de to ovenfor angitte metoder, det vil si en gjenstand med trekk fra flytstøpingen som fiberforsterkede ribber på den ene side mens man bibeholder evnen til enhetlig å absorbere flytende harpiks på den andre. Det er også oppdaget at gjenstander som er fremstilt ifølge oppfinnelsen er frie for synkemerker, noe som er problemtrekk ved gjenstander som fremstilles ved metode 1 ovenfor.

Ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse oppnår man en fiberforsterket termoplastmaterialstruktur med et første sjikt som helt ut er konsolidert med enhetlig dispergerte fibre, og et andre sjikt som er tildannet som en absorberende matriks.

Således kan den absorberende matriks utstyres med en termoherdende eller et termoplastisk materiale for å oppnå de ovenfor angitte resultater.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at det første ark gies et fiberinnhold på ikke mer enn 30 % og det andre ark gies et fiberinnhold på større enn 60 %.

En vesentlig andel av fibrene er av en lengde mellom 7 og 50 mm og en diameter på 13 jjm eller mindre. Fibrene foreligger også i form av enkelte diskrete glassfibere. Slike fibre tilveiebringes vanligvis bundet sammen til opphakkede strengbunter og disse må brytes ned til enkeltfibre før arket tildannes.

Når fibrene skal passe til en strukturell styrke i laminatet, bør de diskrete glassfibre ikke være kortere enn ca. 7 mm eller ha en diameter større enn 13 jjm fordi fibre som er lengre ikke i tilstrekkelig grad armerer plastmatriksen og fibrene som er av større diameter vil da ikke effektivt armere matriksen.

Enkelte fibre av andre materialer med en armeringseffek-tivitet i det minste like høy som glassfibrene kan alternativt benyttes.

En høy elastisitetsmodul betyr en elastisitetsmodul som er vesentlig høyere enn den til arket. Fibre som faller innenfor denne kategori blant annet glass-, karbon- og kjeramiske fibre og fibre som diaramidfibre som selges under betegnelsen "Kevlar" og "Nomex" og vil vanligvis inkludere alle fibre med en modul over 10.000 MPa.

For å oppnå det resultat som er angitt ovenfor kan fremgangsmåten inkludere bruk av et andre ark av et materiale som er ekspandert som beskrevet i EP-publ. 0 148 763 eller der andelen av fibre ligger over det som er mulig for å oppnå full konsolidering.

Dette trekker derfor nytte av det faktum at i enhver stiv fiber (for eksempel glass)/polymerkombinasjon, er det, på grunn av pakkedensiteten av fibrene, en kritisk fiberkonsentrasjon over hvilken full konsolidering eller fortetning av strukturen er umulig under vanlige betingelser ved sammen-pressing og støping.

Fremgangsmåten kan inkludere i den porøse side og innføre et termoherdende eller termoplastisk materiale som foreslått i EP-publ 0 152 994.

Evis ønskelig kan den termoherdende eller termoplastiske del innføres i formen.

Således kan den termoherdende plast anbringes i former i flytende tilstand før investering i den porøse side. Hvis den skal behandles med et termoplastisk materiale kan dette alternativt skje i form av et tredje ark før behandlingen.

De termoplastiske materialer kan for eksempel være av polyetylen, polypropylen, polystyren, akrilonitrystyren-butadien, polyetylentereftalat, polybutylentereftalat eller polyvinylklorid, både mykgjort og ikke-mykgjort, eller en blanding av disse materialer med hverandre eller andre polymerstoffer. Andre egnede termoplaster er polyfenyleneter eller polykarbonater eller polyesterkarbonater eller termoplastiske polyestere eller polyeterimider eller akrylnitril-, butylakrylat- og styrenpolymerer, eller amorfe nylon eller polyaryleneterketon eller legeringer eller blandinger av disse med hverandre eller andre polymerstoffer.

Med et glassf iberinnhold på mer enn 60$, det vil si et materiale med en kritisk fiberkonsentrasjon over hvilken full konsolidering og fortetning av strukturen vanligvis er umulig under normale betingelser for pressing og varming, er det vanskelig å flytstøpe til intrikate former, men ved å kombinere et slikt materiale med et lettflytstøpbart materiale som det som angis ovenfor, kan den ønskede effekt oppnås.

Oppfinnelsen kan gjennomføres på forskjellige måter og ved forskjellige metoder for fremstilling av en glassfiberfor-sterket termoplastgjenstand og artikler fremstilt ved metodene skal nå beskrives som eksempler under henvisning til de ledsagende tegninger der: Figur 1 er et skjematisk riss av en form med et laminat-materiale ferdig for støping; og

figur 2 er et diagrammatisk tverrsnitt som viser en gjenstand fremstilt ved hjelp av formen som vist i fig. 1.

Som vist i fig.2 omfatter det fiberarmerte termoplastmateriale som skal forme et øvre ark 1 av et fiberarmert termoplastmateriale som har glassfibre med en lengde på 13 mm og en diameter på 11 pm i en polypropylenmatriks. Glassfiber-densiteten er ca. 25$. Dette ark lamineres på toppen av et andre ark som er av tilsvarende innhold som ark 1 men som har et meget høyere glassfiberinnhold, nemlig på ca. 80$. På grunn av pakningsdensiteten av fibrene vil det være umulig under vanlige betingelser for pressing og støping å oppnå en konsolidert struktur med dette andre ark.

Formen der arkene skal tildannes til en gjenstand har et øvre tilformet verktøy eller formdel 3 med en dertil passende nedre formdel 5 med et hulrom 6.

De laminerte ark som kan være forvarmet til en på forhånd bestemt temperatur anbringes i formen som lukkes mot et fast anslag. Materialet med høyt glassinnhold i ark 2 tilpasser seg hulrommet 6 i den nedre formdel 5 mens materialet med lavt glassinnhold i ark 1 tvinges til å strømme inn i formdelene 4 og innta formen til den øvre formdel 3. Det er en viss sammenblanding av disse stoffer efter hvert som grensesjiktene sikrer adekvat sammenbinding.

Efter avkjøling og uthenting fremstilles det en gjenstand som vist i fig. 2. Gjenstanden, antydet med henvisningstallet 7, har en øvre del 8, tildannet fra ark 1, av polypropylen som helt ut er konsolidert hvori enhetlig dispergerte glassfibre er indikert ved henvisningstallet 9. Den nedre del av gjenstanden som er tildannet fra arket 2 er antydet ved henvisningstallet 10 idet denne del er porøs og ikke konsolidert .

Gjenstanden kan brukes på forskjellige måter, for eksempel kan den bindes til en annen gjenstand ved å benytte den porøse struktur som en nøkkel for et adhesiv eller en smeltet termoplast som forener de to gjenstander. Alternativt kan den omgjøres til en enhetlig gjenstand i seg selv ved oppfylling av den porøse struktur. For å gjøre dette kan den termoherdende harpiks helles eller sprøytes inn i den nedre del 5 (i denne spesielle konfigurasjon) og formen lukkes igjen slik at harpiksen tvinges inn i det porøse, absorberende sjikt 10. Efter herding blir gjenstanden fjernet og har de fordeler som et helt ut forsterket støpt termoplastprodukt har på oversi-den og har en forsterket termoherdet harpiks på undersiden. I tillegg blir synkemerket utvisket selv før impregnering av det porøse sjikt med en flytende harpiks. Denne konstruksjon muliggjør hurtig forming av flytstøpte detaljer på en side av gjenstanden kombinert med et glatt termoherdet sjikt på den annen side. Således kan gjenstanden ha en god finish og ha en overflate istand til å motstå høy temperatur og med tilstrekkelig detalj på den andre overflate for avskrivning eller andre krav.

Tabell 1 spesifiserer de teoretiske og målte hulromsinnhold av ikke-konsolidert materiale med et glassinnhold over det kritiske nivå ved hvilket konsolidering kan oppnås. Hulromsinnholdet av materialet som efterpå muliggjør impregnering ble både kalkulert teoretisk og bestemt ved en oljeabsorb-sjonsprøve. Man skal se at det var god overensstemmelse mellom de bedømmelsesmåter.

Tabell 2 angir åtte eksempler av laminater som tildannes fra utgangsstoffer med høyt og lavt glassinnhold som spesifisert i bemerkning 1 i tabellen. Det fremgår av oljeabsorbsjons-prøven som utføres ved siden av hvert laminat som tildannes fra høyglassinnholdskomponenten at oljeabsorbsjonen (og derfor hulromsinnholdet )verdiene var i det vesentlige konsistense med det formål for hvilket laminatet var ment å brukes.

Eksempel 9

Ikke-konsoliderte prøver av 70% glassfibre med lengde 12 mm og diameter 11 pm/30% polypropylenpulver med en masse på 1000 g/m<2> og 25% glassfibre med lengde 12 mm, diameter 11 pm/75% polypropylenmateriale med en masse på 2000 g/m<2> ble skåret til 22 cm diameter som var formens effektive diameter. Prøvene ble ovnsoppvarmet ved 200°C i 7 minutter og derefter anbragt i en støpeform ved en temperatur på 100°C med materiale med 25% glass på toppen. Ved lukking av pressen til et 3 mm sluttgap, ble det laget en skive med en absorberende nedre overflate og støpte ribber og fordypninger i den øvre overflate. Pressen ble hevet og avkjølt til en temperatur på 50° C hvorefter 40 g av en termoherdende harpiks av typen "Modar 824 LT" ble helt ned i formen og denne lukket igjen, noe som tvang harpiksen inn i det absorberende sjikt, mens overskytende harpiks ble tvunget ut av formen. Efter herding ble platen veiet og beregnet til å ha tatt opp 18g harpiks som ga en glatt, glanslignende finish for den nedre overflate .

Eksempel 10

Eksempel 9 ble gjentatt med ikke-konsoliderte arkmaterialprø-ver med 80% glassfibre av lengde 12 mm og diameter 11 pm og med 20% polypropylenpulver med en substans på 1000 g/m<2> og 25% glassfibre med lengde 11 pm og diameter 75% polypropylenmateriale med en substans på 2000 g/m<2>. Man registrerte et 24 g harpiksopptak idet den nedre overflate hadde en finish tilsvarende den i eksempel 9.

Eksempel 11

De følgende prøver ble fremstilt.

To skiver med diamter 23 cm og med en vekt på 2000 g/m<2> av ikke-konsolidert permeabelt arklignende materiale omfattende 25% glassfibre med lengde 12 mm og diamter 11 pm samt 75% polypropylenpulver ble bundet sammen.

En skive med diamter 21 cm og med en vekt på 500 g/m<2> av ikke-konsolidert permeabelt arklignende materiale omfattende 80% glassfibre med lengde 12 mm og diamter 11' pm samt 20% polypropylenpulver ble bundet sammen.

En skive med diamter 17 cm av polykarbonatfilm med en tykkelse på 1 mm av typen "Lexan" virket som et tredje ark.

Prøvene ble oppvarmet i en ovn ved 205° C 7,5 minutt og derefter bragt sammen i den angitte rekkefølge i en pressform ved en temperatur på 100°C. Pressen ble derefter lukket og et trykk på 140 kg/cm<2> lagt på i 1 minutt. Den resulterende laminerte støp viste seg å være i det alt vesentlige sammenbundet.

Eksempel 12

Man gjentok prosedyren fra eksempel 11 men med en polykarbonatf i lmprøve med diameter 21 cm som erstattet prøven med diameter 17 cm i eksempel 11. Den resulterende laminerte form ble funnet å ha forbundet seg godt med polykarbonatfilmen som partielt omhyllet sidekantene av støpen uten at det ble dannet hulrom.

Eksempel 13

Det ble fremstilt prøver som i eksempel 11, og man fulgte den samme prosedyre bortsett fra at prøvene som bestod av polykarbonat ble oppvarmet separat til 250°C i 4 minutter og at bunnplaten av pressformen (i kontakt med polykarbonatfilmen) ble holdt ved 140°C under støpingen. Prosedyren ble så gjentatt to ganger idet ikke-konsoliderte permeable prøver som omfattet polykarbonat hadde glassfiberinnhold på 70% henholdsvis 60%.

De resulterende laminerte støper ble i alle tre tilfeller funnet å gi bedre binding og viste større motstandsevne mot en tvungen delaminering enn støpegjenstanden ifølge eksem-plene .

Eksempel 14

38 cm lange kvadratiske prøver ble fremstilt fra de følgende materialer.

Ikke-konsolidert permeabelt arklignende materiale med en vekt på 2000 g/m<2> og omfattende 25% glassfibre med lengde 12 mm og diameter 11 pm samt 75% polypropylenpulvere, bundet sammen.

Ikke-konsolidert permeabelt arklignende materiale med en vekt på 500 g/m<2> og omfattende 80% glassfibre med lengde 12 mm og diameter 11 pm samt 75% polypropylenpulvere, bundet sammen.

Polykarbonatfilm av typen "Lexan" med tykkelser 1 mm, 0,5 mm og 0,25 mm.

De to ikke-konsoliderte prøver ble oppvarmet til 205°C i 7,5 min. i en ovn og den 1 mm tykke polykarbonatf i lm til 250°C i 4 min. Prøvene ble så anbragt i en platepresse ved en temperatur av 100°C i den sekvens som er angitt og det ble lagt på et trykk på 140 kg/cm<2> i 1 minutt.

Den foregående prosedyre ble så gjentatt ved en andre og tredje anledning der 0,5 mm henholdsvis 0,25 mm polykarbonat-filmene ble benyttet i stedet for 1 mm-filmen.

Man oppnådde en god binding mellom de tre komponenter i hvert av de resulterende laminater.

Eksempel 15

De tre laminater som ble fremstilt i eksempel 14 ble skåret til en diameter på 22 cm. Et 15 cm diameterstykke av ikke-konsolidert materiale av den type hvorfra den første prøve ble skåret i eksempel 14, ble så lagt på hvert av de sirku-lære laminater. Det resulterende laminat ble i rekkefølge oppvarmet til 205°C i 7,5 min. og underkastet presstøping i en form oppvarmet til 120°C ved 140 kg/cm<2> i 1 minutt.

De tre resulterende støpegjenstander ble funnet å være vel tildannet og godt bundet.

Eksempel 16

Det ble først fremstilt støpegjenstander som i eksempel 9. Den første omfattet 75% glassfibre med lengde 12 mm og diameter 11 pm og 30% polypropylen ble så ovnsoppvarmet til 200° C i 7 minutter og derefter anbragt i den samme form som var benyttet i eksempel 9. Efter lukking av formen ble prøvens struktur kompaktert slik at det smeltede polypropylen fuktet ut overflaten av glassfibrene. Efter hvert som formen ble hevet forårsaket elastisiteten i glassfibrene at den fuktede fibrøse struktur i det vesentlige gjeninntok sin porøse konfigurasjon før pressingen.

Efter at den første prøve var tilstrekkelig avkjølt til å kunne behandles ble den fjernet fra formen og tillatt full avkjøling. 15 g termoherdende harpiks av typen "Modar 824 LT" ble så helt i formen og den første prøve tilbakeført til denne. Pressen ble så lukket slik at den termoherdende harpiks trengte inn i porene i den nedre overflate av prøven. Efter herding ga dette en platelignende struktur med en glatt og glanset nedre overflate og en innfiltret åpen øvre overflate. Den således fremstilte konstruksjon kan fjernes fra formen for lagring og integralstøping på et senere tidspunkt med et andre fiberforsterket ark bestående av vesentlige høyere andeler av termoplast, eller det kan integralt støpes med et slikt ark umiddelbart som beskrevet nedenfor.

Mens den termoherdende harpiks herdet i formen ble den andre prøve omfattende 25% glassfibre med 12 mm lengde og 11 pm diameter og med et propyleninnhold på 75% oppvarmet til 200°C i 7 min. og anbragt i en form på den på forhånd støpte første prøve. Pressen ble så lukket et sekund for å gi det varme materialet på underflaten av den andre prøve mulighet til integrering med den innfiltrede fibrøse øvre overflate av den første prøve som allerede lå i formen. På grunn av det relativt høye termoplastiske innhold i den andre prøve tilformet dette seg uten vanskelighet for tilpasning til profilen i den øvre del av formen.

Claims

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en fiberarmert plaststruktur (7) med en første i det vesentlige ugjennomtrengelig, konsolidert del (8) og en andre ikke-konsolidert, porøs del (10), omfattende å laminere et første ark (1) av fiberarmert termoplastisk materiale til et andre ark (2) av fiberarmert termoplastisk materiale, å anbringe laminatet i en form (3,5) og å legge på trykk ved en temperatur over smeltetemperaturen for det termoplastiske materiale, der det som en vesentlig andel av fibrene anvendes adskilte, diskrete glassfibre med en lengde mellom 7 og 50 mm og med en diameter på 13 pm eller mindre og med en elastisitetsmodul over 10 000 mPa, karakterisert ved at det første ark

(1) gies et f iberinnhold på ikke mer enn 30 %, og det andre ark gies et fiberinnhold større enn 60 %.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den porøse del (10) av det andre ark (2) utstyres med et termoherdende eller termoplastisk plastmateriale før eller efter laminering med det første ark (1).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at den porøse del (10) utstyres med termoherdende eller termoplastisk plastmateriale i formen (3,5).

4 . Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det termoherdende plastmaterialet anbringes i formen (5) i flytende tilstand før laminatet.

5 . Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den porøse del (10) utstyres med et termoplastisk materiale som tilveiebringes i arkform idet arket har større totale dimensjoner enn den porøse del (10) av det andre ark (2) hvorved en del av arket av termoplastisk materiale bringes til integrering med i det minste en del av en sidekant av det andre ark (2).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller krav 5, karakterisert ved støping av det andre ark (2) under trykk, å utstyre det med termoherdende eller termoplastisk materiale og derefter laminering av det andre ark (2) med det første ark (1).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at den omfatter å anbringe det første ark (2) i formen (3, 5), å legge på trykk, avlaste trykket for å tillate arket (2) å gjeninnta sin porøse konfigurasjon før pressing, å anbringe det termoherdende eller termoplastiske materiale i formen, legge på trykket for å utstyre det andre ark (2) med det termoherdende eller termoplastiske plastmateriale og derefter å laminere det utstyrte andre ark (2) til det første ark (1).

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved forvarming av det første (1) og andre (2) ark før de anbringes i formen (3,5).