NO873139L - Fremstilling av en permeabel, platelignende fibroes struktur. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av en permeabel arklignende fibrøs struktur samt fibrøse strukturer fremstilt ved denne prosess.

EP-publ. 0148760 beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av platelignende fibrøse strukturer der en bane omfattende enkeltfibre i spesielle andeler og ikke-konsolidert partikkelformig plastmateriale behandlet for å binde fibrene og plastmaterialet sammen. Materialet kan enten føres til oppvikling eller konsolideres ved føring av det gjennom en kontinuerlig varm dobbelbeltepresse av f. eks. stålbåndtypen. Denne kan benyttes for å konsolidere materialet som mottas direkte fra tørketunnelen eller materiale som allerede har vært oppviklet.

Eksempler på prosessene inkluderer bruken av en papirfrem-stillingsteknikk for å fremstille den våtlagte fiberforsterkede plastvevnad. Produkter som fremstilles ved denne teknikk er porøse og muliggjør at en tørker kan benyttes for tørking av banen. På dette trinn består banen av en matriks adskilte forsterkende fibre med termoplastisk pulver dispergert i denne fibermatriks. Et bindemiddel kan legges på før tørking av banen for å lette behandlingen. Fortrinnsvis blir imidlertid der plastmaterialet er en termoplast, tørkeren benyttet for å føre varmgasser gjennom banen for å bringe termoplastpulveret partielt til smelting og adhesjon til fibrene. Dette gir en porøs bane som kan være stiv eller alternativt fleksibel, avhengig av oppvarmingsgraden. Imidlertid er den fremdeles ømfindtlig overfor skade og tap av fibre, termoplastisk pulver og finfordelt materiale slik som additiver, hvis ikke materialet behandles forsiktig. Materialet kan på denne tid sendes til støping i oppviklet form eller underkastes varmpressing og avkjøling i en kontinuerlig ståltrommel eller en diskontinuerlilg presse for derved å oppnå et helt ut konsolidert ikke-porøst ark.

Bruken av en kontinuerlig dobbeltbeltepresse er kostbar og en diskontinuerlig presse er tidsforbrukende. Videre kan et helt ut konsolidert ark være ugunstig for visse etterfølgende prosesser. Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveie-bringe en fremgangsmåte for tildanning av en stiv, porøs og permeabel arklignende fibrøs struktur uten bruk av slike presser.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av en stiv, permeabel arklignende fibrøs struktur som inkluderer tildanning av en bane med 20 - 60% enkeltfibre med en høy elastisitetsmodul (som heri definert) og en lengde på mellom 7 og 50 mm, og 40 - 60 vekt-# av et helt eller i det vesentlige ikke-konsolidert fibrøst eller partikkelformig termoplastmateriale, og så behandle banen ved oppvarming for å smelte plastmaterialet og føre det hele mellom et par nypvalser slik at plastmaterialet kan strømme inn og fukte fibrene hvorved nypåpningen i valsene settes til dimensjoner mindre enn de til den ukonsol-iderte bane og større enn den til banen hvis den skulle være helt konsolidert, og å tillate banen å ekspandere og forbli i det vesentlige permeabel etter føring mellom valsene. Fortrinnsvis settes nypåpningen til en dimensjon på 5 - 10$ over den til banen hvis den skulle konsolideres helt.

Fortrinnsvis foreligger fibrene i form av enkelte adskilte fibre. Når således glassfibre benyttes og mottas i form av hakkede strengbunter blir disse brutt ned i enkelte fibre før strukturen dannes.

En høy elastisitetsmodul må leses i betydningen elastisitetsmodul vesentlig høyere enn den til et konsolidert ark som kunne tildannes fra den samme struktur. Fibre som faller innenfor denne kategori inkluderer glass-, karbon- og keramiske fibre og fibre slik som aramidfibre av typen "Kevlar" og "Nomex" og vil Inkludere enhver fiber med en modul større enn 10.000 MPa.

Partikkelformige plastmaterialer må leses til å inkludere korte plastfibre som kan innarbeides for å øke kohesjonen i strukturen under fremstilling.

Bindingen kan gjennomføres ved å benytte de termiske karak-teristika for plastmaterialene i strukturen. Således kan denne oppvarmes tilstrekkelig til å forårsake at termoplast-komponenten smelter på overflaten mot de ved siden av liggende partikler og fibre. Videre kan en formbar termoherdende komponent oppvarmes for å gi en tilsvarende effekt. Man må imidlertid passe på å sikre at betingelsene ved oppvarming er slik at man forhindrer nedbrytning av plastmaterialet etter binding.

Individuelle fibre bør ikke være kortere enn ca. 7 mm fordi kortere fibre ikke gir noen adekvat forsterkning i den ferdige støpte gjenstand. Heller ikke bør de være lenger enn 50 mm fordi slike fibre er vanskelige å behandle i den foretrukne fremstillingsprosess for den fibrøse struktur.

Der glassfibre benyttes er for å gi strukturell styrke diametrene fortrinnsvis mindre enn 13 ~m. Fibre med en diameter på mer enn 13 ~m vil ikke effektivt forsterke plastmatriksen etter støping.

Fortrinnsvis foreligger termoplastmaterialet i partikkelform. Egnede termoplaster inkluderer polyetylen, polypropylen, polystyren, akrylonitrylstyren, butadien, polyetylenterefta-lat, polybutylentereftalat, polybutylenteraklorat og polyvi-nyl klorid, både mykgorte og ikke-mykgjorte, eller blanding av disse stoffer med hverandre eller andre polymerer. Andre egnede termoplaster inkluderer polyfenyleneter eller polykarbonater eller polyesterkarbonater eller termoplastiske polyestere eller polyeterlmider eller akrylnitrll - butylak-rylat - styrenpolymerer eller amorft nylon eller polyarylen eter keton eller legeringer og blandinger av disse stoffer med hverandre eller andre polymerer. Det er ment at ethvert termoplastpulver kan benyttes som ikke kjemisk angripes av vann og som kan mykgjøres tilstrekkelig ved oppvarming til å tillate smelting og/eller forming uten kjemisk dekomponering.

Plastpulvere behøver ikke å være overdrevent finoppdelte men partikler grovere enn 1,5 mm, eksemplifisert ved grov sand eller fine riskorn, er utilfredsstillende idet de ikke flyter tilstrekkelig under støpingen til å gi en homogen struktur. Bruken av større partikler resulterer i en signifikant reduksjon av bøyemodulen til materialet etter konsolidering. Fortrinnsvis har plastpartiklene en størrelse på ikke mer enn 1 mm.

På grunn av at strukturen som sådan er permeabel er den istand til å kunne forvarmes ved varmluftpermeasjon som beskrevet i EP-publi. 0148762. Denne teknikk tillater hurtig homogen oppvarming av hele strukturen på en måte som er vanskelig å oppnå med konsoliderte ark, det henvises her til publikasjonen.

Porøsiteten i strukturen tillater etterfølgende innføring av flytende termoherdende harpiks ved overflatebelegning eller impregnering. Slike harpikser må selvfølgelig være av den langsomtherdende eller etterformbare type for å tillate avlevering til støpeformen og støpingen før herding inntrer. Karakteristisk vil støpeformen først hurtig oppvarme termo-plastkomponenten. Arket vil så hurtig overføres til støpe-pressen og presses til ønsket form før herdingen av den termoherdende harpiks er ferdig.

Impregneringen kan være total, i hvilket tilfelle det oppstår en fortettet gjenstand, eller den kan være begrenset til

Oppfinnelsen har anvendelse med fiberforsterkede termoplaster der tørrstoffet er for svakt til å kunne behandles konvensjo-nelt slik at det kreves bruk av bindemidler eller en kort oppholdstid under varme og trykk for å oppnå fiberfukting med den smeltede polymer og for å kunne bli partielt konsolidert til en behandelbar form.

Oppfinnelsen kan gjennomføres på et antall måter og skal nu beskrives ved hjelp av et eksempel under henvisning til de ledsagende tegninger hvori Fig. 1 er et halvdiagrammatisk snitt enderiss av en apparatur for gjennomføring av oppfinnelsens fremgangsmåte ;

Fig. 2 er et riss langs linjen II-II i Fig. 1, og

Fig. 3 er et sideriss av en modifisert form av en apparatur for gjennomføring av oppfinnelsen.

Som utgangsmateriale for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan ethvert permeabelt elastisk fibrøst ark benyttes som gjenvinner i det minste delvis sin opprinnelige ikke-kompri-merte tilstand etter sammenpressing, og som omfatter et plastmateriale som er istand til fukting av overflatene av fiberbestanddelene i materialet.

Det foretrukne materialforbruk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen omfatter 20 - 60 vekt-# forsterkende fibre med en høy elastisitetsmodul som er definert og som har en lengde på mellom 7 og 50 mm, og 40 - 80 vekt-# av fullstendig eller i det vesentlige ikke-konsolidert plastmateriale, og der plastkomponentene er bundet inn i en fleksibel luftpermeabel platelignende struktur.

En høy elastisitetsmodul må leses i den mening at dett betyr en elastisitetsmodul vesentlig høyere enn den til en ikke- overflatesjiktene av gjenstanden. Dette kan gi tilstrekkelig økning i stivhet over den opprinnelige ekspanderte termoplast, sammen med en tettet overflate som forhindrer en ytterligere inntrengning av andre fluider slik som vann eller olje inn i den ekspanderte sentrale sone. Et overskudd av flytende termoherdende materiale på overflaten kan også benyttes for å oppnå et meget glatt, glanset utseende som kan være ønskelig når den støpte gjenstand skal benyttes som erstatning for arkmaterialet og som er meget vanskelig å oppnå med konvensjonelle fiberforsterkede materialer.

Termoherdende harpikser som kan benyttes for å impregnere de ekspanderte termoplastark inkluderer fenoliske og polyesterharpikser, f. eks. fenolformaldehydharpiks, urea og melamin formaldehydharpikser, epoksyharpikser, umettede polyestere og polyuretaner. Etterformbare termoherdende materialer kan også benyttes.

I de tilfeller der formeren kun er utstyrt for å behandle konsoliderte ark kan den fibrøse struktur konsolideres ved skjæring til egnede lengder og deretter oppvarming og avkjøling under trykk. Det skal være klart at slik konsolidering kun kan gjennomføres når plastinnholdet i arket fullt ut er av termoplastisk materiale.

Alle de ovenfor nevnte trekk kan finnes i EP-publ. 0148760.

Fortrinnsvis kontrolleres varmen i nypvalsene for å holde dem på en temperatur under plastmaterialets smeltetemperatur. En av valsene kan drives med en hastighet lik eller høyere enn banematehastigheten.

Fortrinnsvis inkluderer oppfinnelsen å føre banen før den avkjøles gjennom et ytterligere par valser med et større gap for å dimensjonere banen og forbedre hovedflatefinishen. konsolidert plate som kunne tilblandes fra denne struktur. Fibre som faller innenfor denne kategori inkluderer glass-, karbon- og keramiske fibre og fibre slik som aramidfibrene "Kevlar" og "Nomex" og vil vanligvis inkludere en hver fiber med en modul over 10.000 MPa.

En fremgangsmåte for fremstilling av et materiale av denne type er beskrevet i EP-publ. 0148760 som også foreslår å presse materialet sammen under varme og trykk slik at det etter avkjøling dannes et impermeabelt konsolidert ark. Det er i fremgangsmåten ifølge foreliggende søknad foretrukket å benytte det materiale som beskrives i denne publikasjon i en impermeabel ikke-konsolidert tilstand. Imidlertid kan konsolidert materiale også behandles i henhold til foreliggende oppfinnelse etter egnet forvarming.

Under henvisning til figurene 1 og 2 i tegningene viser disse et oppvarmingshus 1 med innløpskanaler 2 der gassmatede brennere 3 er anordnet, og en utløpskanal 4 som styres av en klaffventil 5.

I huset 1 åpnes kanalene 2 til hovedkammeret 6 med perforerte sidevegger gjennom hvilke luft fritt kan passere til et sentralkammer 7.

Innen sentralkammeret 7 er det anordnet en perforert trommel 8 for rotasjon på ikke viste lågere som befinner seg i endeveggene 9 og 10 i huset 1. En radial utløpsvifte 11 er montert koaksialt ved trommelen 8 ved enden av hylsteret 1 ved hvilken brennerne 3 befinner seg. Innløpet 12 til viften II er forbundet med kjernesonen 13 til trommelen 8 og transportert materiale fra viften 11 slippes ut i hovedkammeret 6 umiddelbart foran brennerne 3. Trommelen 8 og viften 11 drives uavhengig av forskjellige drIvanordninger 14, 15 med varierbar hastighet.

En åpning 16 er tilveiebragt i frontveggen 17 av huset 1 med innløps- og utløpsføringsvalser 18 henholdsvis 19 anordnet umiddelbart under og over åpningen. En indre ledeplate 20 befinner seg i trommelen nær åpningen 16 for å begrense tap av oppvarmet luft fra huset.

To par koldstål nyvalser 21, 22 og 23, 24 befinner seg utenfor åpningen 16.

Ved å benytte apparaturen i figurene 1 og 2 for å gjennomføre oppfinnelsens fremgangsmåte blir et permeabelt ark 25 av et materiale omfattende forsterkende fibre og plastmateriale, f. eks. av den foretrukne type som er beskrevet ovenfor, matet inn via innløpsførevann 18. Arket 25 passerer så rundt trommelen 8 og ut av huset 1 via utløpsførevalsen 19. Underr passasjen gjennom det sentrale kammer 7 når trommelen 8 roterer gir varmluft som sirkuleres gjennom trommelen via viften 11 via hovedkamrene 6 den ønskede temperatur ved hjelp av brennerne 3. Utlufting av overskuddsluft gjennom ventilen 4 kontrolleres ved hjelp av ventilen 5.

Temperaturen i luften i huset 1 holdes på et nivå som bringer plastinnholdet i arket til smeltetemperaturen. Arket føres så gjennom to stålnypvalser 21 og 22 idet gapet mellom disse settes til mellom 5 og 10$ over tykkelsen til banen når den er helt konsolidert. Stålvalsene har en diameter på ca. 25 cm og kan temperaturreguleres ved hjelp av vanndusjing eller andre midler for å holde dem på en temperatur under polymer-ens smeltetemperatur. Minst en valse drives ved en hastighet lik eller noe høyere enn banematehastigheten fra tørkeren på grunn av den økning i banehastighet som oppstår på grunn av sammenpressing i nypen.

Virkningen ved å føre den smeltede bane gjennom valsegapet forårsaker at smeltede polymerglobuler strømmer og fukter fibrene idet dette gir et sterkt nettverk av fibre og polymer. Ethvert fint pulveradditiv i dette nettverk blir i stor grad fanget inn og faller ikke ut.

Ved utløpet av valsegapet er banen 25 fremdeles over polymer smeltetemperaturen og derved reekspanderer materialet på grunn av avspenning av belastninger som ble lagt på de enkelte glassfibre i valsegapet. Et andre par tilsvarende valser 23 og 24 med et større gap er anordnet for å dimensjonere banene og forbedre glattheten på overflaten før produk-tet avkjøles og blir stivt.

Det resulterende stive, ekspanderte og porøse produkt passerer til en ikke vist oppkutt ingsstasj on der det kan skjæres til plater med hensiktsmessig størrelse. Disse kan så gjenoppvarmes ved å føre en varmgass gjennom den porøse plate og presstøping til ønsket form, f. eks. som beskrevet i EP-publ. 0148762. På den annen side kan arkmaterialet benyttes for å tildanne flate plater for hvilket formål utgangsmaterialet vil måtte fremstilles ved en vesentlig mengde av et termoherdende pulver. I dette tilfelle blir platen kun pressformet før det termoherdende materialet herder. Videre kan platen impregneres med en flytende termoherdende harpiks som foreslått i EP-publ. 0152994 og hedes i flat eller støpt tilstand.

I et eksempel på styrkeforbedringen og porøsiteten for en gapvalsebehandlet fiberglassforsterket termoplastplate, skal nevnes en glassfiberforsterket polypropylen tørrbane som ble fremstilt som angitt i EP-publ. 0148760 der man hadde en glassprosentandel på 25 # vekt/vekt og basisvekten var 4.000 g/m2.

Det på forhånd tørkede materiale ble matet til en rotasjons-trommel via en oppvarmer som vist i Fig. 1 og som førte varmluft med en temperatur på 2101 C gjennom den porøse bane og oppvarmet denne til ca. 200|C. Denne varme bane hadde en tykkelse på ca. 10 mm og ble matet til innløpsgapet i en tovalse kalander som ble drevet med en hastighet tilsvarende oppvarmeren (4,5 m/min.). Det første sett stålvalser 21 og 22 hadde en diameter på 25 cm idet gapet var satt til 3,5 mm (tilstrekkelig til helt ut å konsolidere strukturen). Etter frigjøring fra valsene 21 og 22 forårsaker elastisiteten av fibrene i den fremdeles varme bane at arket reekspanderes til ca. 9 mm tykkelse. Et andre sett stålvalser 23 og 24 dimensjonerte banen til den ønskede ferdige tykkelse ved avkjøling. Porøsiteten av den ferdige bane avhenger av den ferdige dimensjonerte tykkelse.

Prøver ble tatt før og etter oppvarming og etter valsene 21 og 22 og de sammenlignbare egenskaper er angitt i Tabell 1 bortsett fra porøsiteten som er angitt i Tabell 2. Under henvisning til Fig. 3 viser dette en apparatur for fremstilling av et tilsvarende sluttprodukt tilsvarende apparaturen i Fig. 1 men en som hruker et annet utgangsmateriale i form av en konsolidert plate bestående av elastisk forsterkede fibre dispergert i en fast termoplastisk matriks.

Fordi den konsoliderte plate er impermeabel kan gjennomopp-varmet luft ikke benyttes. En infrarødovn 30 er derfor tilveiebragt bestående av øvre og nedre hus 31 og 32 for oppvarming av elementene 33 og 34. Et varmemotstandsdyktig transportørbelte 35, f. eks. av stålduk, passerer gjennom elementene 33 og 34 og bæres på valser 36.

Ved slutten av transportørbeltene 35 er det tilveiebragt en mellomliggende transportør 37 for å slå bro over gapet mellom beltet 35 og de to valsepar 21, 22 henholdsvis 23, 24 som er identiske i form og drift med de i figurene 1 og 2 og som derfor ikke skal beskrives ytterligere.

I drift blir en konsolidert bane 38 anbragt på transportøren 35, beveget inn i IR-ovnen, oppvarmet inntil termoplasten er smeltet og så ført gjennom de to valsesett 21, 22 henholdsvis 23, 24.

Det skal være klart at fibrene allerede er fuktet av plasten når det benyttes en konsolidert bane som utgangsmateriale. Bruken av pressvalser og doseringsvalser sikrer derfor at strukturen er homogen og porøs for fremtidig bruk.

Claims (24)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en stiv, permeabel, banelignende fibrøs struktur, karakterisert ved at den omfatter å tildanne en bane med 20 - 60$ enkeltfibre med en høy elastisitetsmodul og mellom 7 og 50 mm lengde, og 40 - 60 vekt-# av et helt ut eller i det vesentlige ikke konsolidert partikkelformig plastmateriale, og deretter behandle banen ved oppvarming til smelting av plastmateriale og føring av dette mellom et par pressvalser slik at plastmaterialet kan flyte inn i og fukte fibrene hvorved gapet mellom valsene settes til en dimensjon som er mindre enn tykkelsene til den ikke konsoliderte bane og større enn den til banen hvis den var helt ut konsolidert, og å tillate banen å ekspandere og forbli i det vesentlige permeabel etter føring mellom valsene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at gapet mellom valsene settes til en dimensjon som ligger 5 - 10% over tykkelsen til banen hvis denne skulle være helt konsolidert.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fibrene foreligger i form av enkelte adskilte fibre.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at banen omfatter en termoplastisk komponent hvori strukturen oppvarmes tilstrekkelig til å bringe den termoplastiske komponent til å smelte på overflaten til nærliggende fibre og partikler.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at hanen omfatter en etterformbar termoherdende komponent der denne komponent oppvarmes til smelting på overflaten for festing til ved siden av liggende partikler og fibre.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at de individuelle fibre ikke er kortere enn ca. 7 mm.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at de individuelle fibre ikke er lengre enn 50 mm.

8. Fremgangsmåte ifølge et. hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at de individuelle fibre har en diameter på 13 ~m eller mindre.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det termoplastiske materiale foreligger i partikkelform.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at det partikkelformige termoplastiske materiale er inert overfor vann og kan mykgjøres ved hjelp av tilstrekkelig varme til å tillate smelting og/eller forming uten termisk nedbrytning.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at de termoplastiske partikler ikke er mere enn 1,5 mm store.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert v e d at de termoplastiske partikler har en størrelse på ikke mer enn 1 mm.

13. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det termoplastiske materiale er polyetylen, polypropylen, polystyren, akrylonitrylstyren, butadien, polyetylenetereftalat, polybu-tylenetereftalat, polyvinylklorid, både av mykgjort og ikke-mykgjort type, eller blandinger av disse materialer med hverandre eller andre polymerer.

14 . Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det termoplastiske materiale er polyfenylen, eter eller polykarbonater eller polyesterkarbonater eller termoplastiske polyestere eller polyeterimider eller akrylnitril - butylakrylat-styrenpolymerer eller amorfe nylon eller polyaryleneter keton eller legeringer eller blandinger av disse stoffer med hverandre eller andre polymermaterialer.

15 . Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at strukturen forvarmes ved hjelp av varmluftpermeasjon.

16. Fremgangsmåte Ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at strukturen etterpå overflatebelegges eller impregneres med en termoherdende harpiks.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at den termoplastiske struktur oppvarmes, overføres til en støpeform og presses til ønsket form før herding av den termoherdende harpiks er ferdig.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 16 eller 17, karakterisert ved de termoherdende harpikser er fenoliske og polyesterharpikser, for eksempel fenolformaldehydharpiks, urea- og melaminformaldehydharpikser, epoksyharpikser, umettede polyestere og polyuretaner.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 16 eller 17, karakterisert ved at det benyttes en etterformbar harpiks.

20. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 eller 17 til 19, karakterisert ved at den fibrøse struktur konsolideres ved kutting til egnet lengde med etterfølgende oppvarming og avkjøling under trykk.

21. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter å kontrollere varmen i valsegapet for å holde denne ved en temperatur under plastmaterialets smeltetemperatur.

22. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at en av pressval-sene drives med en hastighet lik eller større enn banetil-matningshastigheten.

23. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter å føre banen før avkjøling gjennom et ytterligere par pressvalser med større gap for dimensjonering av banen og forbedre overflatesluttbehandlingen.

24. Stivt, permeabel arklignende struktur, karakterisert ved at den er fremstilt ved en fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 24.