NO302105B1 - Fremgangsmåte for fremstilling av et komposittprodukt - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av et komposittprodukt, i det vesentlige bestående av et termoplastisk organisk materiale og armeringsfibre. Mer spesielt angår den en ekstruderings- eller sprøytestøpings-prosess som gjennomføres med en innretning som mates med termoplastisk organisk materiale og armeringsfibre, særlig glassf ibre.

For enkelhets skyld er uttrykket "organisk materiale" i den følgende tekst synonymt med "termoplastisk organisk materiale".

Fremstilling av profilerte deler oppnådd ved ekstrudering av organisk materiale og armeringsfibre som glassfibre, gjennom en dyseplate, og fremstilling av gjenstander oppnådd ved injisering av de samme bestanddeler til en form, medfører de samme vanskeligheter når bestanddelene blandes: For det første, må blandingen av det organiske materialet og armeringsfibrene være så homogen som mulig før formings-operasjonen; for det andre er det ønskelig at armeringsfibrene gir det fremstilte komposittmaterialet de best mulige mekaniske egenskaper og for dette formål er det spesielt ønskelig å unngå at fibrene brekker i for stor grad.

Det er kjent å gjennomføre denne blandingsoperasjon ved bruk av en ekstruder som består av en oppvarmet sylinder hvori en skrue dreies ved hjelp av en rotor. Over en av endene har sylinderen en matebinge hvis bunn åpner seg direkte over skruen. Ekstruderen mates med organisk materiale og glassfibre fra denne matebinge.

Det organiske materialet og armeringsfibrene, for eksempel glassfibrene, kan innføres samtidig til matebingen på et antall måter: Det organiske materialet lagres i form av granuler i en binge som befinner seg over et transportørbelte hvis fremførings- hastighet er justerbar; glassfibrene lagres i form av kuttede fibre i en ytterligere binge, anordnet over et ytterligere transportbelte hvis fremføringshastighet også er justerbar;

disse belter avgir sitt innhold til ekstrudermatebingen;

denne metode krever bruken av tungt eller voluminøst doseringsutstyr for å holde de respektive andeler av organisk materiale og kuttede fibre konstant;

en andre metode består i på forhånd å blande det organiske materialet og de kuttede fibre hvorefter denne blanding transporteres til ekstrudermatebingen ved transportørbeltet;

denne metode krever også ytterligere utstyr for blanding av de to bestanddeler;

ekstruderen kan også mates direkte med granuler omfattende glassfibre belagt med organisk materiale; disse granuler kan oppnås ved forskjellige prosesser; EP-A-0 393 532 anbefaler impregnering av glassfibrene under trykk og så skjæring til stykker.

En variant er nevnt i EP-A-0 367 661. Den består i å belegge filamentene av en komposittfiber med en organisk finish før eksponering til aktinisk stråling. Formålet med dette er å gi kohesjon til komposittf ibrene som så kan skjæres til deler ved hjelp av en kuttemaskin.

Innføring av det organiske materialet og glassfibrene til

ekstruderen på to forskjellige punkter er også kjent. Det organiske materialet innføres da i form av granuler,

oppstrøms en dobbeltskrue, på samme måte som i den første ovenfor beskrevne prosess. Glassfibrene innføres til ekstruderen nedstrøms det området i hvilket det organiske materialet blandes og smeltes. De innføres i form av kontinuerlige fibre, trukket av fra en eller flere spoler anbragt på en spoleramme. En prosess av denne type er for eksempel beskrevet i US-A-3 304 282.

En faktor som er felles for disse forskjellige prosesser er at de gjennomføres med meget lange ekstrudere utstyrt med profilerte skruer som i enkelte tilfeller er komplekse.

Formålet med den (enkle eller doble) skrue oppstrøms ekstruderen er å blande og å smelte granulene av organisk materiale som eventuelt kan inneholde armeringsfibre. For å fullføre denne funksjon, kan skruen ha forskjellige profiler avhengig av kornstørrelsen til det benyttede organiske materialet. Stigningsvinkelen for skruegjengene, gjenge-dybden, formen av skruekjernen (sylindrisk eller konisk), skruestigningen, og så videre, er alle faktorer som bestemmer graden av kompresjon og skjærpåvirkning i det organiske materialet.

I tillegg til lengden og kompleksiteten av den benyttede skrue, skal det også påpekes at en stor mengde energi er nødvendig for å oppnå en homogen smeltet blanding.

Når armeringsfibrene innføres til ekstruderen i blanding med granulene av organiske materiale, underkastes disse fibre også skjærbelastninger som forårsaker at materialet smelter, noe som i sin tur resulterer i deres oppbryting.

Mangelen vil delvis kunne unngås hvis armeringsfibrene innføres til ekstruderen i form av kontinuerlige fibre, nedstrøms det området der det termoplastiske organiske materialet smeltes. Armeringsfibrene må i sin tur underkastes den intense blanding i det smeltede materialet for å kunne fordeles homogent i dette materialet. Denne operasjon forårsaker også brekkasje i stor skala av fibrene.

Foreliggende oppfinnelse foreslår å redusere eller sågar å overvinne gitte mangler ved de kjente prosesser.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er særlig en fremgangsmåte for fremstilling av et komposittprodukt oppnådd ved ekstrudering eller sprøytestøping av en blanding av organisk materiale og armeringsfibre som muliggjør at det organiske materialet hurtig smeltes og at armeringsfibrene innarbeides homogent deri ved å redusere deres fragmenteringshastighet.

Formålet med foreliggende oppfinnelse oppnås ved hjelp av en fremgangsmåte for fremstilling av et komposittprodukt tildannet ved å kombinere et termoplastisk, organisk materiale, armeringsfibre som glassfibre og eventuelt mineral-stoffer og organiske hjelpestoffer, oppnådd ved ekstrudering eller ved sprøytestøping fra en ekstruder matet med materialet og armeringen, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at den omfatter til ekstruderen å innføre i det minste en del av det organiske materialet i form av kontinuerlige filamenter idet hvert av filamentene oppviser en diameter mellom 10 og 50 micron.

Med uttrykket "ekstruder" menes her en ekstruderings-innretning i den videste betydning av ordet.

Det organiske materialet kan foreligge i form av filamenter som er separate eller kombinert for å danne en eller flere fibre idet disse filamenter eller fibre eventuelt er forbundet med armeringsfibre i form av en eller flere kontinuerlige komposittfibre.

Den faktor som er felles for alle disse arrangementer eller kombinasjoner er at det organiske materialet foreligger i form av kontinuerlige filamenter idet hvert filament har en diameter som generelt er mellom 10 og 50 jjm. Med andre ord, foreligger, i oppfinnelsens fremgangsmåte, det organiske materialet i form av separate elementer med diametere som er meget mindre enn de til de granuler som vanligvis benyttes i de kjente prosesser og som er i størrelsesorden flere mm. Materialet som er oppdelt på denne måte har et stort utvekslingsoverflateareal som muliggjør at varmeoverføring kan akselereres. Dette store overflateareal oppmuntrer fraksjon, noe som forårsaker at materialet hurtig oppvarmes.

I tillegg til det ovenfor anførte er det en kombinert innvirkning av skruen og den oppvarmede vegg i sylinderen hvori skruen dreier seg, noe som forårsaker at hele material-massen hurtig oppvarmes. Resultatet av dette er hurtig og homogen smelting av det organiske materialet.

Når, i motsetning til dette, det organiske materialet innføres til ekstruderen kun i form av granuler, trenger materialet lengere tid for oppvarming og det smelter ikke homogent. Noen spesialister har hevdet den teori at granulene som underkastes skjærkrefter og er nær den oppvarmede sylindervegg, smelter hurtig, mens granulene som er fanget i skruegjengene forblir i fast tilstand. Uansett de teorier som er formulert for å forklare oppførselen til materialet i ekstruderen, er det funnet at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen muliggjør at materialet smelter homogent langt hurtigere enn det som oppnås ved de kjente prosesser.

Ved hjelp av oppfinnelsen er det således mulig å benytte ekstrudere hvis skrue eller skruer er kortere og hvis profil er enklere enn de som til nu har vært benyttet. Omkostningene ved en ekstruderings- eller sprøytestøpeinstallasjon, kan således reduseres vesentlig.

Innføring av det organiske materialet i form av kontinuerlige filamenter eller fibre muliggjør at ekstruderen kan mates i det vesentlige kontinuerlig og jevnt, noe som sikrer en jevn strømningshastighet for materialet når dette slipper ut og også sikrer en konstant mengde organisk materiale i den dannede kompositt.

Denne enhetlighet i tilmatningen oppnås ganske enkelt ved at skruen eller skruene fører med fibrene av organisk materiale ved dreining med konstant hastighet.

Denne matemetode er perfekt egnet for fremstilling av komposittprodukter, uansett andelen av organiske materiale som er nødvendig for deres fremstilling. For å endre andelen av organisk materiale, er det tilstrekkelig å modifisere mengden fibre eller filamenter i materialet og/eller å velge fibrene med annen størrelse eller sågar å endre omdreinings-hastighetene for løfteskruen.

Denne matemetode har fordelen av å unngå installasjoner særlig av omfattende doseringsinnretninger slik det kreves i den kjente teknikk. Elimineringen av innretninger av denne type i en støpeinstallasjon som benytter oppfinnelsens fremgangsmåte muliggjør at installasjonsomkostningene kan reduseres ytterligere.

Armeringsfibrene, for eksempel glassfibre, innføres også til ekstruderen, fortrinnsvis i form av kontinuerlige fibre.

De kan innføres til ekstruderen nedstrøms det område der det organiske materialet smeltes. I denne utførelsesform er fordelene som oppnås ved oppfinnelsen begrenset til de som er beskrevet ovenfor. Brekkasjen av glassfibrene som et resultat av kompresjon og skjærbelastninger som glassfibrene underkastes når de blandes med organisk materiale, er i det vesentlige de samme som det som oppstår når man benytter en fremgangsmåte av den typen som er beskrevet i US-A-3 304 282.

Filamentene eller fibrene av organisk materiale og armeringsfibrene innføres fortrinnsvis til ekstruderen via det samme innløp. Full fordel kan så trekkes av oppfinnelsens fremgangsmåte .

Det er sagt ovenfor at det organiske materialet smelter hurtig og homogent og at dette muliggjør en kortere skrue med mindre kompleks profil enn de i den kjente teknikk. Den letthet med hvilken materialet smelter muliggjør spesielt at det benyttes en skrue hvis skjærvirkning er lav.

Armeringsfibrene, innført samtidig som filament- eller fibermaterialet, blir så hurtig blandet med materialet som blandes av skruen som et resultat av at det hele underkastes en relativt lett skjærpåvirkning.

Det er således mulig å oppnå en homogen blanding hvori armeringsfibrene kan være lengere enn noen få millimeter.

De kontinuerlige fibre av organisk materiale kan trekkes av fra ruller oppnådd på konvensjonell måte: å mate et ekstrude-ringshode med smeltet materiale og derefter mekanisk å trekke materialet som ekstruderes gjennom munningen som tilveie-bringes ved hvert hodes basis. Armeringsfibrene, for eksempel glassfibre, kan innføres i ekstruderen i form av kuttede fibre via det samme innløp som de kontinuerlige fibre av organisk materiale. Lengden av disse kuttede fibre kan være konstant eller varierbar, avhengig av hvorvidt de fremstilles ved kutting av kontinuerlige fibre med en kuttemaskin eller fra opphakking fra spillvalser, for eksempel halvfulle valser. Den lette skjærkraft som legges på materialet for å smelte det, reduserer derved brekkasjen av de kuttede fibre under blandingsoperasjonen. Lengden av glassfibrene i det endelige komposittprodukt er således delvis bevart.

Denne utførelsesform av oppfinnelsen krever at glassfibrene er kuttet på forhånd, lagring av fibrene i en binge og bruk av en innretning som regulerer den hastighet med hvilken de innføres til ekstruderen. Glassfibrene kan også kuttes in situ ved hjelp av en kuttemaskin som mates med kontinuerlige glassfibre, trukket av fra ruller. Hastigheten for kutte-maskinen kan være en parameter for å kontrollere matingen av kuttede fibre til ekstruderen.

Oppfinnelsen gjennomføres fortrinnsvis ved bruk av kontinuerlige filamenter eller fibre av både organisk materiale og armering.

Således kan de kontinuerlige fibre av organisk materiale og armeringsmateriale trekkes av fra separate spoler som er fremstilt i forkant. Fibrene av organisk materiale og for eksempel glassfibre forenes til en bunt som innføres til ekstruderen. Avhengig av mengden glass som kreves i kompo-sittproduktet, er fibertallet og/eller garntellingen blandet for hver bestanddel.

Filamentene eller fibrene av organisk materiale og fibrene av armeringsmateriale innføres fortrinnsvis til ekstruderen i form av en enkel, kontinuerlige tråd omfattende et nøyaktig antall filamenter eller fibre av organisk materiale og armering. Herefter vil denne tråd kalles en kompositt-tråd.

En tråd av denne type, for eksempel bestående av materiale og glassfibre eller -filamenter kan oppnås direkte ved den fremgangsmåte som er beskrevet i EP-A-0 367 661.

Kompositt-trådene som fortrinnsvis benyttes innenfor oppfinnelsens ramme, omfatter hovedandelen av glassfilamenter i aksen og hovedandelen av filamenter av organisk materiale i periferien.

Denne type tråd oppnås for eksempel som et resultat av at glassfilamenter og filamenter av organisk materiale trekkes samtidig, der de førstnevnte befinner seg i sentrum av det areal som defineres av arket eller arkene som dannes av de sistnevnte. Fordelen med dette arrangement er at man reduserer risikoen for glassfilamentbrudd ved gnidning mot de faste overflater. Dette arrangement understøtter å tilveie-bringe komposittdeler med gode mekaniske egenskaper.

Det organiske materialet i kompositt-tråden kan foreligge helt i form av kontinuerlige filamenter eller delvis i form av et tynt sjikt som dekket kompositt-trådene. Dette dekket oppnås på i og for seg kjent måte, for eksempel ved å føre komposittfiberen langs aksen av et egnet hode som mates med organisk materiale under trykk.

Denne tråd kan benyttes i form av kuttet tråd. Omhyll ingen presser og holder filamentene inne i tråden og i tillegg knuses det av kuttebladene som partielt lukker endene av hvert snitt i hvilket glassfilamenter og organiske filamenter forblir separat.

Avhengig av andelen glass som velges for å armere den endelige komposittdel eller et antall komposittfibre der glassinnholdet tilsvarer det til den ønskede del, eller et antall komposittfibre hvis glassinnhold er forskjellig, men der kombinasjonen muliggjør at den ønskede armering oppnås, kan benyttes.

Selv om den utførelsesform som er beskrevet ovenfor er mindre fordelaktig enn det som tidligere er forklart, er den også en utførelsesform av oppfinnelsen.

Det organiske materialet kan således innføres til ekstruderen partielt i form av granuler og partielt i form av kontinuerlige fibre eller filamenter. I dette tilfellet blir granulene og fibrene innført via to forskjellige innløp og granulene smeltes oppstrøms fibrene.

Disse granuler kan bestå kun av organisk materiale eller kan inneholde glassfibre. I det sistnevnte tilfellet kan disse være granuler som oppnås ved ekstrudering på i og for seg kjent måte. De kan også være granuler som oppstår ved knusing av komposittspillgjenstander som feildeler eller deler som er fjernet fra ufullstendige deler. Denne sistnevnte type granuler muliggjør at et materiale som, ellers, selv om det ikke er nedbrytbart ville tilsettes til den store mengde omgivelsesforurensende husholdnings- og industriavfalls-mengde, kan resirkuleres. Uansett den valgte utførelsesform kan mer generelt i det minste noe av det organiske materialet innføres til ekstruderen i form av et materiale som farvet ved hjelp av et additiv.

Den følgende beskrivelse skal gi et bedre inntrykk av fordelene ved oppfinnelsen. Oppfinnelsen illustreres ved en figur som skjematisk viser en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen.

Denne figur viser i et lengdesnitt et ekstruderlegeme 10. Det er utstyrt med to like skruer som dreier seg i samme retning selv om figuren kun viser en av dem. Denne skrue har en sylindrisk kjerne 11 som oppstrøms har et område 12 med varierbar stigning og nedstrøms et areal 13 med konstant stigning.

Ved begynnelsen av området 12 er ekstruderlegemet 10 på oversiden utstyrt med en åpning 14 for mating av ekstruderen. Nær denne åpning er det anordnet ruller 15 av komposittfibre på en ikke-vist spoleramme. Komposittfibrene 16 hentes fra disse avviklingsspoler og føres ved hjelp av ikke-viste midler til en sammenføringsinnretning 17. Denne innretning samler fibrene 16 til en bunt som så mates til ekstruderen.

Mellom områdene 12 og 13 omfatter ekstruderlegemet på oversiden en åpning 18 gjennom hvilken luft som samles under blandeprosessen, kan slippes ut. Denne åpning kan være forbundet med en vakuumpumpe for for eksempel å akselerere luftutsiippet.

Den vesentlige funksjon for området 12 er å smelte det organiske materialet og å innarbeide glassfibrene i det smeltede materialet; funksjonen av området 13 er å homogeni-sere blandingen før den fordeles via utløpet 19. Dette utløp kan være utstyrt med forskjellig utstyr avhengig av det komposittprodukt som skal fremstilles.

Således kan utløpet være utstyrt med en ekstruderings-dyseplate av i og for seg kjent type, for eksempel som muliggjør fremstilling av en kontinuerlig profilert del.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan således anvendes ved fremstilling av en profilert del i form av sylinder, generelt kjent som en stav. Den profilerte del avkjøles med vann og skjæres til korte fragmenter, kjent som granuler. Disse granuler er mellomprodukter som generelt benyttes som råstoffer for mating av ekstruderings- eller sprøytestøpings-innretninger.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes med fordel ved direkte fremstilling av en profilert gjenstand ved ekstrudering, så vel av åpne som av lukkede profiler.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes også med fordel ved fremstilling av en gjenstand oppnådd ved innsprøyting i en form. Ekstruderen utstyres så i enden med en lukkedyse av i og for seg kjent type som gir forbindelsen til formen. Ekstruderskruen er mobil og holdes på siden motsatt dysen av et hydraulisk stempel. Skruen virker i rekkefølge som mykgjøringsskrue, armerings-iblandingsskrue og så som sprøytestempel.

Alle de termoplastiske organiske materialer som kan omdannes til kontinuerlige fibre kan benyttes innenfor oppfinnelsens ramme. Dette er for eksempel polypropylener, polyamider og polyestere.

I tillegg til mineralmaterialene som benyttes som fyll-stoffer, kan for eksempel organiske additiver innføres til ekstruderen for å forbedre fuktingen av armeringen og å understøtte dennes adhesjon til det organiske materialet. Leilighetsvis kan de være polymerer på hvis molekyler det kjemisk er podet karbonylgrupper. Når så armeringen består av glassfibre, kan disse grupper, sammen med et silan som på forhånd er avsatt på glasset, gi bindinger av van der Waals-eller kovalent type. Disse additiver kan også tillate at forskjellige polymerer blandes, for eksempel et resirkulert polyamid av den under varemerket Nylon i og for seg kjente type og komposittfibre omfattende polypropylenfilamenter eller —fibre. Et polypropylen som markedsføres av Eastmann Kodak under varemerket Epolene E43, kan for eksempel benyttes.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av et komposittprodukt tildannet ved å kombinere et termoplastisk, organisk materiale, armeringsfibre som glassfibre og eventuelt mineral-stoffer og organiske hjelpestoffer, oppnådd ved ekstrudering eller ved sprøytestøping fra en ekstruder matet med materialet og armeringen,karakterisert vedat den omfatter til ekstruderen å innføre i det minste en del av det organiske materialet i form av kontinuerlige filamenter idet hvert av filamentene oppviser en diameter mellom 10 og 50 micron.