NO840544L - Fiberarmert materiale og termoplastisk armeringsfibermateriale til bruk deri - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et fiberarmert materiale i hvilket det er innleiret termoplastiske fibre i et matrisemateriale av hydraulisk, tverrbindende eller lignende type. I atskillige støpe- og formematerialer, primært i betong, er forsterkningsfibre eller -vev av et termoplastisk materiale bedre enn vanlige mineralske fibre for så vidt angår den kjemiske resistens, men det er et tilhørende alvorlig problem, at termoplastiske fibre har en meget lav grad av overflatehefting til det omgivende matrisemateriale. Disse fibre kan nemlig i forstrukket tilstand ha en høy initial strekkstyrke som ville betinge en meget effektiv armering, men en slik armeringsvirkning vil naturligvis ødelegges helt når matrisematerialet ikke hefter effektivt til overflaten av fibrene.

Det har vært foreslått å modifisere de termoplastiske fibre ved å utforme dem med i lengderetningen varierende tverr-snittsformer, jfr. f.eks. den europeiske patentansøkning nr. 6318, hvorved en omgivende matrise i noen grad vil være mekanisk fastlåst til fibrene. En slik fastlåsing vil imidlertid slett ikke gi den samme ideelle armering som er opp-nåelig ved en virkelig overflatebinding mellom fibrene og matrisen, dvs. selve forme- eller støpematerialet.

Det er derfor oppfinnelsens primære formål å tilveiebringe

et effektivt armert materiale basert på bruk av termoplastiske fibre.

Ifølge oppfinnelsen er de fibre som inneholdes i matrisen, utformet med et overflatebunnet lag av hårde mineralkorn som er delvis og kun delvis innleiret i fibrenes overflate på en slik måte at de er fastsveiset dertil over et indre overflateområde, mens de er udekket av det termoplastiske materiale over et ytre, blottlagt overflateområde, slik at de samtidig er effektivt overflatebundet også til matrisen. Ved anvendelse av slike fibre som på forhånd er fremstilt med mineralkorn i overflaten, kan det oppnås en meget kraftig armeringsvirkning uten at matrisematerialet modifiseres, da dette materialet lett vil overflatehefte på kjemisk hydraulisk eller annen måte til de ytre overflater av mineralkornene, mens disse forblir fastheftet til de termoplastiske fibre, hvorved fibrene overflatebindes effektivt til matrisen via kornene.

Oppfinnelsen vedrører således spesielt selve det termoplastiske fibermateriale, da dette er anvendelig på vanlig måte kun ved å bli innleiret i forme- eller støpematerialet.

For at mineralkornene skal være virkelig bundet til de termoplastiske fibre, er det viktig at denne binding er opp-nådd ved at kornene er "sveiset" til fibrene, dvs. bragt i berøring med fiberoverflaten mens denne er i en smeltet tilstand, hvoretter en sveiselignende binding fremkommer når det smeltede materialet størkner. Som bekjent skal termoplastiske armeringsfibre helst anvendes i en forstrukket tilstand for å oppvise en god begynnende strekkstyrke, og det er visse problemer forbundet med fastsmeltingen av mineralkornene på eller i fiberoverflaten: Partiklene kan frem-bringe en viss skjærvirkning som kan få fibrene til å briste under strekkbehandlingen; hvis kornene påsmeltes etter strekkingen, vil den tilhørende oppvarming av fibermaterialet tendere til å spolere den ved strekkingen oppnådde høye strekkstyrke. Forøvrig vil den nevnte skjærvirkning generelt svekke fibrene.

Ifølge oppfinnelsen er det imidlertid tilveiebragt et modifi-sert fibermateriale som er velegnet til den omtalte anvendelse, nemlig et komposittmateriale som omfatter et basislag med god strekkstyrke og et overflatelag av et termoplastisk materiale, som er sveiseforbundet med basislaget, og hvortil eller hvori mineralkornene er fastgjort. Herved vil den nevnte skjærvirkning være i det vesentlige uskadelig

fordi kornene ikke strekker seg inn i det sterke basislag,

og på grunn av den faste binding mellom overflatelaget og både kornene og basislaget, vil det kunne overføres be-tydelige krefter mellom matrisen og det sterke basislag, nemlig via kornene. Det spesielle basislag kan være resistent overfor den varme som er nødvendig for fastgjørelse av mineralkornene til overflatelaget, hvorved kornene etter ønske kan tilføres til overflatelaget før eller etter strekkingen av komposittfibermaterialet. Prinsipielt vil endog basislaget kunne velges slik at fibrene blir anvendelige uten noen forstrekking.

Et velegnet og lett produserbart komposittfibermateriale består av to koekstruderte termoplastiske materialer, av hvilke basislaget har en god strekkstyrke og et såkalt "sticking point", som er betydelig høyere enn sticking point eller klebetemperaturen til det koekstruderte overflatelaget. De to lag sammenbindes effektivt ved selve koekstruderingen, og overflatelaget vil kunne oppvarmes for fastsveisingen av de mottatte mineralkorn uten at denne oppvarming påvirker basislaget på noen uheldig måte. Koekstrusjonen kan være en folie som omdannes til oppsplittede stabelfibre etter kjente prinsipper etter at mineralkornene er tilført til overflatelaget eller lagene ved et passende trinn i fremstillings-prosessen.

Uttrykket "hårde mineralkorn" skal her forstås på den måte

at kornene via en krystallinsk metallisk eller mineralsk karakter skal være velegnet til å gå i regulær overflatebinding med det matrisemateriale hvori fibrene skal anvendes, likesom de naturligvis kan være tilstrekkelig varmeresistente og sterke til å motstå de temperaturer og spenninger som kan forventes å opptre i det endelige produkt. I praksis er dette imidlertid ikke noe større problem da f.eks. små sten-partikler normalt vil ha en fullt tilstrekkelig styrke og bindingsevne. Kornene kan f.eks. bestå av silisiumoksyd,

titanoksyd eller andre naturlige og billige oksyder, fortrinnsvis med en kornstørrelse på ca. 50-300 ym; størrelser helt ned til 5-10 ym vil være anvendelige, og kortmaterialet behøver ikke å bestå av kort med ensartet størrelse.

Det betraktede matrisematerialet vil typisk være et hydraulisk materiale såsom betong eller gips eller et tverrbindende materiale såsom polyester eller epoksy, hva enten det dreier seg om massive eller skumformede materialer, men også varmeformede materialer såsom gummi kan komme på tale, så lenge de termoplastiske fibre kan holdes intakte og usmeltede. Fibrene kan anvendes i fri innblanding i matrisen eller i vev eller roving, som innlegges i støpe-eller formematerialet. På tegningen er vist en fiber ifølge oppfinnelsen. Den består av et basislag 2 som har et overflatelag 4 hvori eller hvortil det er fastgjort et stort antall mineralkorn 6,som er delvis nedsmeltet i overflatelaget 4 på en slik måte at det underliggende basislag 2 er hovedsakelig ubrutt av kornene, mens disses ytre overflate-deler er blottlagt og altså udekket av materialet i overflatelaget 4. Dette lag er i seg selv smelteforbundet med overflaten av basislaget 2.

Basislaget 2 kan bestå av en polyolefin såsom homopolymer, polypropylen med et klebepunkt på ca. 165°, mens overflatelaget 4 f.eks. kan bestå av en randomkopolymer polypropylen med klebepunkt ca. 120-140°, dvs. billige materialer for begge lags vedkommende.

For eksempel kan disse materialer koekstruderes til en laminatfolie med en total tykkelse på 200-500 ym, hvorav tykkelsen av basislaget kan utgjøre f.eks. 60-90%. Folien oppdeles i strimler, f.eks. med en bredde på 125 mm, som under oppvarming til ca. 160° påvirkes til kontinuerlig strekking f.eks. til en lengdeforøkelse på ti ganger i en strekkinnretning, hvorved tykkelsen reduseres til f.eks.

100 ym og strimmelbredden til ca. 40-50 mm. Deretter drysses

mineralkorn 6 kontinuerlig på overflatelaget 4,hvis temperatur nå kan være ca. 100°. Kornene avgis fra et kornforråd med en temperatur på ca. 350°, dvs. vesentlig varmere enn foliestrimlene i seg selv, likesom korntemperaturen vil være betydelig høyere enn klebepunktet til overflatelaget 4. Eventuelt kan dog kornene tilføres ved lavere temperatur

til overflatelaget, når dette er oppvarmet til over dets klebe- eller smeltepunkt.

Mineralkornene kan være hule kvartspartikler som er utvundet fra flyveaske og har en diameter på 10-250 ym; slike korn er på markedet kjent under varemerkebetegnelsen "ENLETT 1". Etter pådryssingen av de varme korn føres foliestrimlene gjennom et par trykkruller, av hvilke en øvre rulle som samvirker med overflatekornene, holdes oppvarmet f.eks. til 180°, mens den motstående rulle som samvirker med basislaget 2, oppvarmes til ca. 150°. De to trykkruller presses mot hverandre med et trykk som reguleres slik at de større korn 6 trykkes ned i laget 4, men kun ned til overflaten av laget 2, og ikke (eller kun unntagelsesvis) ned i selve dette lag. Deretter fibrileres de strukkede og nå korn-bærende strimler på kjent måte ved hjelp av en fibrilator utformet f.eks. som en roterende nålevalse, og de fibrilerte strimler utskjæres til stabelfibre av enhver ønsket lengde, f.eks. 6-12 mm.

Når de forholdsvis meget varme korn 6 drysses eller sprøytes på det forvarmede overflatelag 4, vil kornene straks be-gynne å smelte overflaten lokalt under begynnende kjøling av kornene. Små korn, f.eks. med en tykkelse mindre enn halvdelen av overflatelagets tykkelse, vil bli kjølt så hurtig at de kun i liten grad vil trenge inn i overflatelaget, mens forholdsvis store korn som har et meget større varme-innhold kan trenge ned til nær overflatelaget 2, idet de oventil fortsatt vil være blottlagt utenfor overflatelaget 4; ved bunnen har de nådd å bli kjølt til under basislagets klebepunkt, slik at de ikke vil trenge inn i dette laget.

Fortrinnsvis akselererer man imidlertid inntrengningen av partiklene i overflatelaget 4 ved hjelp av de nevnte trykk-valser som overveiende vil sørge for å trykke de store korn inn i overflatelaget 4. Den trykkvalse som arbeider på korn-siden av fibrene, vil arbeide meget tett ved den ekstremt klebrige overflate av det oppvarmede overflatelag 4, men nettopp ved kornenes tilstedeværelse vil den ikke berøre denne overflate. Av samme grunn vil det være fordelaktig .å overdosere kornene og deretter fjerne kornoverskuddet, f.eks. ved avsugning for gjenanvendelse.

De fleste av kornene vil bli fastholdt til overflatelaget 4 både ved mekanisk låsing og ved overflatesveising, hvorav sistnevnte er langt den viktigste. Selv meget flate korn som ikke trenger inn i laget 4, vil kunne festes effektivt til laget ved nevnte sveising.

Basislaget 2 kan ha et overflatelag 4 på begge sider, idet kornene 6 under fremstillingen derved kan tilføres i to om-ganger med en mellomliggende vinding av foliestrimmel-materialet eller samtidig til begge sider av dette, f.eks. ved påsprøyting. Prinsipielt vil oppfinnelsen også omfatte forsterkningsfibre som frembringes ved smeltespinning, slik at de omfatter en kjerne av basismateriale og et sylindrisk overflatelag, som forsynes med de nevnte mineralkorn eller tilsvarende materialfraksjoner som i bruk kan overføre krefter mellom det omgivende matrisemateriale og det sterke, armerte kjernematerialet.

Fremstillingen av termoplastiske komposittfibre tilhører som allerede nevnt den kjente teknikk, og fagfolk på dette området vil være i stand til å utnytte oppfinnelsen i forbindelse med fibre av forskjellige andre materialer enn de ovenfor nevnte; det kan således tenkes anvendt polyetylen av henholdsvis HD- og LD-typen eller f.eks. polyester med et overflatelag av polypropylen, når det mellom disse lag er innleiret et spesielt bindelag i henhold til kjent teknikk.

Claims (6)

1. Fiberarmert materiale hvori det er innleiret termoplastiske fibre i et matrisemateriale av hydraulisk tverrbindende eller lignende type, karakterisert ved at fibrene er forsynt med et overflatebundet lag av hårde mineralkorn som er delvis og kun delvis innleiret i fibrenes overflater på en slik måte at de er fastsveiset dertil over et indre overflateområde, mens de er udekket av det termoplastiske materiale over et ytre overflateområde, ved hvilket de er effektivt overflatebundet til matrisematerialet.

2. Fiberarmeringsmateriale med termoplastiske fibre for anvendelse i et materiale ifølge krav 1 , karakterisert ved at fibrene er oppbygget med et basislag med god strekkstyrke og et overflatelag av termoplastisk materiale, som er sveiseforbundet med basislaget såvel som med et ytre lag av mineralkorn som er delvis og kun delvis innleiret i overflatelaget.

3. Armeringsmateriale ifølge krav 2, karakterisert ved at basislaget utgjøres av et termoplastisk materiale,hvis klebepunkt er vesentlig høyere enn klebepunktet til overflatelaget, og at mineralkornene er hovedsakelig ikke-innragende i basislaget, skjønt anbragt nær dette lag.

4. Armeringsmateriale ifølge krav 3, karakterisert ved at basislaget er av homopolymer polypropylen eller lignende, mens overflatelaget er av random kopolymer polypropylen eller lignende.

5. Armeringsmateriale ifølge krav 2-4, karakterisert ved at tykkelsen av basislaget er 50-95% av den totale tykkelse av basislaget og overflatelaget.

6. Armeringsmateriale ifølge hvilke som helst av kravene 2-5, karakterisert ved at mineralkornene er krystallinske, mineralske eller metalliske korn med en korn-størrelse mellom 10 og 500 ym.