NO316370B1 - Fremgangsmåte for fremstilling av monoaksialt fiberforsterkede termoplaster - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for fremstilling av monoaksialt fiberforsterkede termoplaster

I DE 41 21 915 beskrives en fremgangsmåte for å impregnere et endeløst, forsterkende fiberknippe i et bad som inneholder en dispersjon av termoplastpartikler For å oppnå et uforandret innhold av termoplast i det dannede bad, blir bredden på fiberknippet målt når det forlater impregnenngsbadet, og de således målte verdier anvendes til å regulere partikkelkonsentrasjonen i badet Det er foreslått å utføre denne regulering ved å tilsette to eller flere dispersjoner og således anvende f eks tre dispersjoner med for-skjellige konsentrasjoner Av disse er den midterste justert til antatt konsentrasjonsverdi i fiberknippet ut fra badet Ved dette kan de tilførte mengder av dispersjonene innstilles gjennom å regulere nivået i badet

I GB 2 086 444 beskrives en fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av prepreg ved å anbringe parallelle glassfiberbunter i et løsningsmiddel, eller fuktet med et løsningsmiddel, og så trekke glassfiberbuntene over krumme spredevalser slik at fibrene spres ut og blir liggende parallelle, hvoretter fibrene tørkes og impregneres med en bestemt mengde harpiks

Målet med oppfinnelsen er å forenkle ytterligere de kjente fremgangsmåter Dette mål oppnås med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen

Med oppfinnelsen tilveiebringes således en fremgangsmåte for fremstilling av monoaksialt fiberforsterket termoplastbånd gjennom trykkimpregnenng av et fiberknippe med en dispersjon av termoplastpartikler i et bad, samt gjennom etterfølgende varmebehandlinger for tørking av fiberknippet og påsmelting av partiklene tatt opp av fiberknippet, hvor fiberknippet trekkes gjennom badet med en forutbestemt avtrekkshastighet (v) rundt flere avbøyningselementer, og hvor dispersjonen i badet stort sett holdes i stasjonær tilstand, kjennetegnet ved at fremgangsmåten utføres på den ene side gjennom kontinuerlig eller periodisk tilførsel av en tilført dispersjon som har en partikkelkonsentrasjon (ci) som holdes konstant - eller gjennom en tilsvarende tilførsel av en dispersjon med høyere partikkelkonsentrasjon og en ytterligere mengde dispersjonsmedium - og på den annen side gjennom en første innstilling av en andre partikkelkonsentrasjon (C2) 1 badet til en verdi som forblir konstant gjennom sin automatiske selv-lnnshlling alene, hvor de to nevnte konsentrasjoner (ci,c2) avhenger, på en måte som kan bestemmes empirisk, av termoplastinnholdet (0) 1 båndet som skal fremstilles og av avtrekkshastigheten (v)

Forenklingen av kjente fremgangsmåter er basert på at det er mulig å regulere påføringen Med denne nye erkjennelse anvendes som utgangspunkt at en stasjonær dnftstilstand kan innstilles som ønsket, nemlig som et resultat av det faktum at med konstant avtrekkshastighet og med konstant tilførsel av dispersjon, så vil det automatisk innstille seg en konstant konsentrasjon 1 badet Ved hjelp av hensiktsmessige innledende forsøk kan de korrekte dnftsparametre bestemmes slik at det oppnås en ønsket andel termoplast i produksjonsbadet

Fremgangsmåten for fremstilling av monoaksialt fiberforsterkede termo-plastiske bånd omfatter trykkimpregnenng av et fiberkmppe i et bad med en dispersjon av termoplastpartikler Varmebehandlinger for å tørke fiberknippet og smelting av partiklene tatt opp av fiberknippet, følger etter trykkimpregnenngen Fiberknippet trekkes gjennom badet med forutbestemt avtrekkshastighet rundt flere avbøyningselementer Dispersjonen i badet vil stort sett holdes i stasjonær tilstand, nemlig gjennom å tilføre en dispersjon med en første partikkelkonsentrasjon, og gjennom å foreta en start-innstilling av en andre partikkelkonsentrasjon i badet Den tilførte dispersjon tilføres kontinuerlig eller periodisk, og den første partikkelkonsentrasjon blir holdt konstant En tilsvarende tilførsel av en dispersjon med høyere partikkelkonsentrasjon, samt en ytterligere mengde dispergenngs-medium, er også mulig Den andre partikkelkonsentrasjon innstilles på en verdi som forblir konstant ene og alene som resultat av en automatisk selv-regulenng Ved dette vil de to nevnte konsentrasjoner være avhengige, på en empirisk bestembar måte, av termoplastinnholdet i båndet som skal produseres, og av avtrekkshastigheten

En ytterligere ny erkjennelse er at ved en bestemt avtrekkshastighet vil partikkelkonsentrasjonen i den tilførte dispersjon og i badet, være av hk størrelsesorden Med den avtrekkshastighet hvor denne likhet forekommer, vil fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utføres på en særlig enkel måte

I utlegningssknftet DE 41 21 915 er det gitt data for kjemiske og fysiske egenskaper hos anvendelige termoplaster, armenngsfibrer og dispergenngsmedier Disse data, som anses å være anvendelige, vil ikke bli gjentatt her

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares med henvisning til tegningene Det er vist på Fig 1 et anlegg som kan anvendes til å utføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

Fig 2a,2b grafer som forklarer selvreguleringen av konsentrasjonen i badet,

Fig 3 et lengdesnitt gjennom et første impregnenngsbad,

Fig 4 et tilsvarende snitt gjennom et andre impregnenngsbad

Anlegget vist skjematisk på fig 1, omfatter følgende bestanddeler et termoplastbånd 1 fremstilt av et fiberkmppe 1', en dosenngsapparatur 2 med en justerbar ventil 20 for tilførsel av en dispersjon 21 (partikkelkonsentrasjon Ci) til et impregner-mgsbad 3 som inneholder en dispersjon 22 (partikkelkonsentrasjon c2), en tørkeovn 5 for impregnenngsbåndet 1", en smelteovn 6 for å smelte fast partiklene, en avtrekksapparatur 7 som kan benyttes til å trekke av båndet 1 med en avtrekkshastighet v, videre en oppvik-hngstrommel 11 og en tilførselstrommel 10, avbøyningspinner 12 og et blandeelement 31 for homogenisering av dispersjonen 22 i badet Bestanddeler som er utelatt i lys av kjent teknikk (DE 41 21 915, se også A M Vordermayer et al, Composites Manufactunng vol 4, p 123, 1993) er illustrert med brutte linjer, en regulermgsanordning 4, en apparatur 40 for optisk breddemålmg av det preimpregnerte fiberkmppe 1" og en ytterligere dosenngsapparatur 2' for en partikkeldispersjon En kraftopptaker 13 for måling av en diagonalkraft kan også være til stede i anlegget

Fiberknippet 1' trekkes gjennom badet med avtrekkshastigheten v og impregneres med termoplastpartikler i dispersjonen 22 under påvirkning av et verktøy Verktøyet omfatter flere avbøyningselementer 4 (jfr fig 3) som medfører at det finner sted en trykk-lmpregnenng gjennom rekken av avbøyningsvinkler Fiberknippet 1' består av flere lag med fibrer som ligger på hverandre Ved avbøyningselementene vil fibrene som ligger i den bøyde overflate få lavere strekkspenning i fiberretningen enn fibrene som ligger lenger ut Fibrene som ligger ytterst og som er mest strukket, blir trukket inn mellom fibrene som ligger lenger inn, og dette medfører en spredning av båndet på tvers av fiberretningen Partiklene som er innelukket nær overflaten av fiberknippet 1' mellom den ytre overflate og den bøyde overflate, blir presset mellom de mindre strukkede fibrer, og dette medfører en ytterligere spredning av båndet Etter denne opptaksfase ved avbøynings-elementet, vil fiberknippet 1' igjen komme inn i den frie dispersjon 22, hvor overflatene igjen blir lastet med partikler under påvirkning av diffusjons- og adsorpsjonskrefter Ved det følgende avbøyningselement vil det så finne sted innpressing av partikler på den andre side av fiberknippet 1'

Væskefasen i bad-dispersjonen, det dispergerende medium, er f eks vann eller en alkohol med viskositet av størrelsesordenen 0,01 Pa s Et dispersjonsmedium med lav viskositet er fordelaktig ved trykkimpregnenngen slik at denne fase gir liten motstand mot at partiklene trenger inn i fiberknippet 1'

Partiklene akkumulerer i fiberknippet 1<1> slik at når dette kommer ut fra badet, vil det være en partikkelkonsentrasjon c3 til stede i det fonmpregnerte fiberkmppe 1", og denne konsentrasjon er som regel større enn c2 Denne konsentrasjon c3 er avhengig av c2, men også av v 03 = f(c2, v)

I tørkeovnen 5 blir dispersjonsmediet fjernet fra det fonmpregnerte fiberkmppe 1" gjennom fordampning Partiklene som derved blir tilbake, gir et termoplast-mnhold 9 i båndet 1 som er proporsjonal med C3 9 (= k C3) Når impregnenngsprosessen er 1 en stasjonær tilstand, vil ct = c3, og således vil termoplastinnholdet 9 (= k Ci) bestemmes av partikkelkonsentrasjonen C]1 den tilførte dispersjon 21

Ifølge oppfinnelsen vil trykkimpregnenngen utføres med en stasjonær tilstand 1 badet 3, hvor c2 er innstilt på et slik måte at denne konsentrasjon avhenger av et termoplast-innhold 9 som skal oppnås 1 båndet 1, og av avtrekkshastigheten v som kan bestemmes empinsk (9 = k f(c2, v), se over) For at det skal være en stasjonær tilstand, må det 1 tilegg til betingelsene v = konst og Ci = konst, også være den betingelse at nivået 1 badet, dvs badets høyde hb, forblir konstant Dette oppnås gjennom en korresponderende dosenng av tilført mengde dispersjon

Partikkelkonsentrasjonen c2 i badet 3 behøver ikke innstilles nøyaktig ved begynnelsen av prosessen, siden den stasjonære verdi senere vil innstille seg selv automatisk Med et slikt avvik må det imidlertid i begynnelsen tolereres et tilsvarende avvik i det resulterende termoplast-innhold é, men i praksis medfører dette imidlertid ingen problemer Selv-regulenngen av konsentrasjonen i badet og den tilsvarende oppførsel i termoplastisk innhold, er kvalitativt illustrert på figurer 2a og 2b, hvor c2' betegner den tidsavhengige konsentrasjon i badet og 9 det korresponderende tidsavhengige termoplast-innhold

For å kunne holde badet 3 i stasjonær tilstand, må tilførselen av tilført dispersjon 21 skje kontinuerlig Som regel er imidlertid dette nødvendig dersom det kun er en tilnærmet stasjonær tilstand En periodisk tilførsel av like mengder med tilført dispersjon 21 er i hvert enkelt tilfelle mulig

Slik det kan demonstreres eksperimentelt, så er det ved den stasjonære tilstand en avtrekkshastighet v hvor Cj og c2 er like Siden bad-dispersjonen 22 av og til må fjernes fra badet 3, f eks ved bytte av avlevenngstrommel 10, kan fremgangsmåten arrangeres bedre dersom det benyttes like konsentrasjoner for begge dispersjoner 21 og 22

Den nevnte empiriske sammenheng mellom 9, v og c2 er eventuelt kjent kun tilnærmet Av denne årsak kan det forekomme at bad-volumet ikke forblir konstant Dette volum blir derfor med fordel registrert ved å måle den bestemte høyde hb (se fig 3) på badets nivå 30 Dersom det er nødvendig med en korreksjon, kan avtrekkshastigheten v forandres tilsvarende og/eller andelen væskefase i den tilførte dispersjon 21, dvs dispersjonsmediet, kan endres tilsvarende Ved dette er det imidlertid nødvendig samtidig å holde konstant antall tilførte termoplastpartikler pr tidsenhet

Trykkimpregnenngen kan utføres med stort sett samme intensitet på begge sider av fiberknippet i og med at avbøyningselementene gir retningsforandnnger slik at begge sider av fiberknippet blir alternerende onentert og stort sett like myke Avbøyn-ingselementene har med fordel stort sett konstant krumningsradius i hvert tilfelle i området når det gjelder bøyningsvinkel og bøyninger i fiberkmppets bevegelsesretning Avbøyningselementene bør arrangeres på en slik måte at summen av bøyningsvmklene blir stort sett like store på begge sider av fiberknippet i hvert enkelt tilfelle

På fig 3 vises et verktøy med avbøyningselementer 4 som er arrangert langs en sirkelbue 40, og i hvert enkelt tilfelle er avstandene mellom de avbøyde overflater og sirkelbuen 40 stort sett like store Siden bøyningsvinkelen cp er større for avbøynings-elementene 4 som har senterpunkt lokalisert innenfor sirkelbuen enn, for elementer med senterpunkt utenfor sirkelbuen, så er det en fordel om det er ett element 4 mer utenfor buen enn innenfor buen Det odde antall avbøyningselementer 4 er arrangert speil-symmetnsk om senterlinjen 41

I stedet for sirkelbuen 40 kan det også tilveiebringes en rett linje 40', med like antall avbøyningselementer 4 fortrinnsvis anordnet på begge sider av den rette linje 40' se fig 4 Mens det for utførelsesformen med sirkelbue 40 er anordnet et punkt 41 for å tilføre fiberknippet l<1> til badet 3, samt et punkt 42 for å føre fiberknippet 1" ut av badet 3, over badets nivå 30, så er dette ikke lenger mulig for utførelsesformen med avbøyn-ingselementer 4 arrangert langs den rette linje Punktet 41' for å tilføre fiberknippet 1' til badet 3, er derfor lokalisert under badets nivå 30, og dette matepunkt 41' danner en del av et slusekammer 31 Et dispersjonsmedium 210 er tilveiebragt i slusekammeret 31 som et blokkenngsmedium Med dette forhindres at partikler fra dispersjonen 22 kommer inn i slusekammeret 31 En gass, særlig luft, kan også anvendes som blokkenngsmedium med en annen utforming av slusen Når det anvendes et dispersjonsmedium 210 som et blokkenngsmedium, så tilføres dette via et ytterligere tilfønngspunkt (ikke vist) til slusekammeret 31, med et lite overtrykk i forhold til dispersjonen 22 i badet Den tilførte dispersjon 21 tilføres med en tilsvarende høyere partikkelkonsentrasjon i bad-dispersjonen 22

Claims (9)

1 Fremgangsmåte for fremstilling av monoaksialt fiberforsterket termoplastbånd (1) gjennom trykkimpregnermg av et fiberkmppe ( <V>) med en dispersjon (22) av termoplastpartikler i et bad (3), samt gjennom etterfølgende varmebehandlinger (5,6) for tørking av fiberknippet (1") og påsmelting av partiklene tatt opp av fiberknippet, hvor fiberknippet trekkes gjennom badet med en forutbestemt avtrekkshastighet (v) rundt flere avbøynings-elementer (4), og hvor dispersjonen (22) i badet stort sett holdes i stasjonær tilstand, karakterisert ved at fremgangsmåten utføres på den ene side gjennom kontinuerlig eller penodisk tilførsel av en tilført dispersjon (21) som har en partikkelkonsentrasjon (Ci) som holdes konstant - eller gjennom en tilsvarende tilførsel av en dispersjon med høyere partikkelkonsentrasjon og en ytterligere mengde dispersjonsmedium (210) - og på den annen side gjennom en første innstilling av en andre partikkelkonsentrasjon (c2) 1 badet til en verdi som forblir konstant gjennom sin automatiske selv-innstilling alene, hvor de to nevnte konsentrasjoner (ci,c2) avhenger, på en måte som kan bestemmes empinsk, av termoplastinnholdet (0) i båndet (1) som skal fremstilles og av avtrekkshastigheten (v)

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at avtrekkshastigheten (v) bestemmes på forhånd på en slik måte at de to nevnte partikkelkonsentrasjoner (C],c2) er minst tilnærmet like store

3 Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at badets volum, som skal holdes konstant, registreres ved at særlig badets nivåhøyde (hb)(30) måles, og for å foreta en eventuelt nødvendig korreksjon endres avtrekkshastigheten (v) tilsvarende

4 Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at badets volum, som skal holdes konstant, registreres ved at særlig badets nivåhøyde (hb) (30) måles, og for å gjennomføre den korreksjon som eventuelt er nødvendig, så endres andelen væskefase i den tilførte dispersjon (21) tilsvarende, og samtidig holdes mengden termoplastpartikler som tilføres pr tidsenhet konstant

5 Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at trykkimpregnenngen utføres på begge sider av fiberknippet ( <V>) med stort sett lik intensitet ved at retningsforandnnger som gir alternerende onenter-ing er stort sett av samme størrelse og utøves på begge sider av fiberknippet ved hjelp av avbøyningselementene (4)

6 Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at avbøyningselementene (4) i hvert enkelt tilfelle har stort sett konstant krumningsradius i området for bøyningsvinkel (cp) og i bevegelsesretningen for fiberknippet (1'), og ved at summen av bøyningsvinkler for de to sider av fiberknippet i hvert enkelt tilfelle er av stort sett samme størrelse, hvor de avbøyende overflater på avbøyningselementene spesielt er arrangert langs en rett linje (40') eller en sirkelbue (40) og i avstander fra henholdsvis den rette linje eller sirkelbuen som i hvert enkelt tilfelle stort sett er like store

7 Fremgangsmåte ifølge krav 1-6, karakterisert ved at væskefasen i bad-dispersjonen (22) har en viskositet av størrelsesordenen 0,01 Pa s

8 Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at fiberknippet (1') føres inn i eller ut av badet i punkter (41,42) som er arrangert over badets nivå (30), og de avbøyende overflater på avbøyningsele-mentene er arrangert langs en sirkelbue (40)

9 Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at fiberknippet (1') føres inn i badet (3) i et tilførselspunkt (41') under badets nivå (30), hvor tilførselspunktet (41') er formet som en del av en sluse (31) hvor en gass eller et dispersjonsmedium (210) er tilveiebragt som et blokkenngsmedium, og med kontaktoverflatene på avbøyningselementene arrangert langs en rett linje