PL192336B1

PL192336B1 - Sposób wytwarzania granulatu długowłóknistego, granulat długowłóknisty i urządzenie do wytwarzania granulatu długowłóknistego

Info

Publication number: PL192336B1
Application number: PL344452A
Authority: PL
Inventors: Klaus-Peter Mieck; Thomas Reussmann
Original assignee: Ostthueringische Materialpruef; Ostthueringische Materialpruefgesellshaft Fuer Textil Und Kunststoffe Mbh
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2006-10-31
Also published as: CA2333126A1; US20030086995A1; DK1097033T3; EP1097033A1; CA2333126C; JP2002539982A; PL344452A1; US6548167B1; WO2000058064A1; ATE276861T1; JP5059259B2; DE29911623U1; EP1097033B1; DE50007869D1

Abstract

1. Sposób wytwarzania granulatu dlugowlóknistego zmieszaniny wlókien cietych, skladajacej sie z wlókien termoplastycznych i wlókien wzmacniajacych, w którym ciag wlókien z mieszaniny wlókien cietych prowadzi sie przez strefe nagrzewania wstepnego, nastepnie przeciaga sie przez dysze ogrzewajaca do postaci pasma, po czym pasmo to po obracaniu i konsolidacji przez ochladzanie obcina sie na okreslona dlugosc do postaci granulatu dlu- gowlóknistego, znamienny tym, ze po nagrzaniu wstep- nym i przejsciu przez dysze pasmo najpierw sie chlodzi, po czym sie je obraca i odprowadza do urzadzenia tnacego w którym przy swobodnym obrotowym ruchu, wlókna tnie sie na okreslona dlugosc 7. Granulat dlugowlóknisty z czastek granulatu, w któ- rych w termoplastycznej osnowie sa umieszczone srubowo ciete wlókna wzmacniajace, znamienny tym, ze ciete wlókna wzmacniajace znajduja sie razem ze stopionym materialem oslonowym (12) i razem z niestopionymi termo- plastycznymi wlóknami cietymi w strefie rdzeniowej (13). 13. Urzadzenie do wytwarzania granulatu dlugowlókni- stego z pasma cietych wlókien termoplastycznych i wlókien wzmacniajacych, posiadajace strefe nagrzewania wstepne- go, dysze ogrzewajaca, strefe chlodzenia, urzadzenie obracajace i granulator, znamienne tym, ze ……………… PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania granulatu długowłóknistego, granulat długowłóknisty i urządzenie do wytwarzania granulatu długowłóknistego stosowanego do wytwarzania elementów konstrukcyjnych.

Granulaty zawierające włókna krótkie są wytwarzane przez wymieszanie włókiem wzmacniających i w danym przypadku materiału osnowy za pomocą wytłaczarki ślimakowej. Ciągłe lub pocięte włókna wzmacniające mogą być doprowadzane do wytłaczarki ślimakowej w sposób ciągły. W wyniku działania tnącego ślimaków następuje skrócenie włókien wzmacniających. Jednocześnie włókna wzmacniające zostają w stopionym polimerze dokładnie rozdzielone i nawilżone materiałem osnowy. Włókna wzmacniające nie mają w ziarnie granulatu żadnej ukierunkowanej orientacji. Długość włókien wzmacniających jest w tych granulatach krótkowłóknistych z reguły mniejsza, niż długość granulatu i wynosi zwykle poniżej jednego milimetra.

Granulaty długowłókniste są stosowane w przemyśle przeróbki tworzyw sztucznych do wytwarzania włóknistych, zespolonych elementów budowlanych. Te granulaty długowłókniste mogą być wytwarzane zasadniczo w różnym rodzaju i w różny sposób. Stosowaną od dawna metodą jest sposób pultruzyjny. Podstawą tej metody jest ciągłe wprowadzanie pasm włókien wzmacniających (rowing) do urządzenia, przy jednoczesnym doprowadzaniu stopionego materiału osłonowego. W idealnym przypadku płynny polimer przenika rowing, a poszczególne włókna ciągłe zostają otoczone stopionym filmem. Na wyjściu urządzenia pasmo jest prowadzone przez dyszę, dzięki czemu powstaje określony przekrój granulatu. Z kolei następuje ochłodzenie materiału osłonowego i obcinanie pasma materiału. Długość włókien w tak wytworzonym granulacie odpowiada, dzięki rozciągniętemu położeniu włókien, długości granulatu.

Płynna metoda pultruzyjna jest znana w wielu odmianach i jest stosowana zarówno do wytwarzania granulatu długowłóknistego jak i do przygotowania półfabrykatów (JP-PS 08047924, JP-PS 06320536, US-PS 3,993,726, GB-PS 1,439,327, JP-PS 06315931). Następnie znane są metody pultruzyjne do obróbki prepregu. Przy tych specjalnych metodach pultruzyjnych nie jest potrzebne doprowadzanie stopionego materiału polimerowego. Podstawą obróbki jest zastosowanie wstępnie impregnowanego rowingu włókien wzmacniających (Prepregu).

Znane jest także wytwarzanie granulatów długowłóknistych za pomocą metody wytłaczania (JP-PS 6-254 847 A). Przy tym za pomocą pętli lub splecenia włókien wzmacniających długość poszczególnych włókien może być także większa, niż długość granulatu. Jednak większa liczba włókien wzmacniających jest krótsza aniżeli długość granulatu w wyniku tnącego działania ślimaka wytłaczającego.

Do wytwarzania granulatu długowłóknistego metodą wytłaczania lub pultruzyjną są jednak w każdym przypadku konieczne określone kształty włókien wzmacniających (rowing lub długie włókna ociekowe). Nie może to być jednak zrealizowane ze wszystkimi włóknami wzmacniającymi.

Niezależnie od dawno już znanych metod wytwarzania granulatu długowłóknistego, została jeszcze opracowana dalsza metoda wytwarzania granulek długowłóknistych (DE-PS 197 11 247). Zasada tej metody polega na utworzeniu nagrzanego, skręconego ciągu materiałowego z pasma pociętych włókien, które następnie może być ochłodzone i pocięte do postaci granulek. Obracanie pasma według tej metody odbywa się za pomocą dwóch obracających się z jednakową prędkością urządzeń obracających. Niedogodnością tego sposobu jest to, że obracanie pasma jest stałe tylko między obydwoma urządzeniami obracającymi. Po przejściu przez drugie urządzenie obracające i zaciśnięciu pasma w granulatorze może przy niewystarczającym ochłodzeniu i ustaleniu materiału nastąpić wsteczne obracanie się pasma. Dlatego też ma to ujemny wpływ ma wytrzymałość i zdolność ociekania granulatu.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania granulatu długowłóknistego z mieszaniny ciętych włókien termoplastycznych i włókien wzmacniających, w którym zapobiega się zwłaszcza obracaniu się z powrotem pasma po przejściu strefy chłodzącej granulatu długowłóknistego, a granulat według wynalazku ma dobrą zdolność ociekania, umożliwia równomierne rozdzielenie włókien wzmacniających i przy danej długości obcięcia cząstek granulatu utrzymuje jak największą długość włókien wzmacniających.

Sposób wytwarzania granulatu długowłóknistego według wynalazku polega na tym, że pasmo najpierw się chłodzi, po czym się je obraca i odciąga, a następnie w wyniku obcięcia na określoną długość nadaje mu się bez przeszkód swobodny ruch obrotowy. Inaczej niż w metodzie, opisanej wDE 197 11 247, następuje skręcenie pasma razem z odprowadzeniem po dokonanym ochłodzeniu,

PL 192 336 B1 tzn. konsolidacja. Dzięki budowie granulatom jest zapewnione, że pasmo także podczas procesu obcinania może się swobodnie obracać. Wsteczne obracanie się pasma w obszarze między urządzeniem obracającym i granulatorem a tym samym naruszenie zdolności ociekowej i wytrzymałości cząstek granulatu zostaje wyeliminowane.

Według korzystnej postaci stosowania sposobu według wynalazku, w strefie nagrzewania wstępnego termoplastyczną część włókien pasma stapia się tylko w jednym obszarze osłony. Dzięki temu zostaje zaoszczędzona nie tylko energia cieplna, lecz także cały proces zostaje przyspieszony, ponieważ nagrzewanie i powrotne ochłodzenie wymaga mniej czasu. Pomimo brakującego roztapiania rdzenia osiągnięta zostaje w nim wystarczająca stabilizacja włókien w postaci skręconej.

Zgodnie z wynalazkiem korzystne jest, jeżeli w zależności od liczby obrotów do prędkości odprowadzania proces prowadzi się w zakresie od 10 do 150 obrotów/metr. Zwłaszcza korzystnie stosunek ten zawiera się między 20 i 60 obrotów/metr.

Również zgodnie z wynalazkiem proces prowadzi się w paśmie włókien z udziałem włókien wzmacniających w zakresie od 10 do 80% wagowo, zwłaszcza od 15 do 50% wagowo. Korzystnie wybiera się do pasma włókien średnią długość włókien wzmacniających w granicach od 30 do 200 mm. Rozdrobnienie pasma włókien mieści się zwykle w obszarze od 5 do 30 ktex. Korzystnie przecina się pasmo na cząstki granulatu o długości w zakresie od 1do 30 mm, zwłaszcza długość ta wynosi od 10 do 30 mm.

Granulat długowłóknisty według wynalazku, charakteryzuje się tym, że cięte włókna wzmacniające znajdują się razem ze stopionym materiałem osłonowym i razem z niestopionymi termoplastycznymi włóknami ciętymi i są usytuowane w strefie rdzeniowej. Główną zaletą tego granulatu jest to, że w ziarno granulatu mogą być wprowadzone włókna wzmacniające o większej długości, niż długość granulatu pociętego. Niespodziewanie okazało się, że włókna wzmacniające dłuższe w wyniku skręcania od długości obcięcia ziaren granulatu mogą wtedy być także umieszczone w ziarnie, jeżeli pasmo względnie ziarno granulatu nie zostaje stopione w obszarze rdzenia. Następnie okazało się, że pomimo tylko częściowego nadtopienia części termoplastycznej (w strefie osłony lub obrzeża) nie następuje separacja między włóknami wzmacniającymi i materiałem osłony, tzn. w osłonie i rdzeniu ładunek włókien wzmacniających pozostaje w zasadzie jednakowy. Dzięki temu przy późniejszej przeróbce granulatu zostaje uzyskane bardzo równomierne rozdzielenie włókien wzmacniających w elemencie konstrukcyjnym. Zużycie energii do wytwarzania granulatów długowłóknistych według wynalazku jest mniejsze, niż przy wytłaczaniu lub pultruzacji (wytwarzanie granulatów konwencjonalnych), ponieważ termoplastyczny materiał polimerowy nie musi być całkowicie stopiony, lecz tylko zewnętrzna osłona pasma lub ziarna granulatu.

Korzystnie cząstki granulatu stanowią odcinki pasma a długość ich włókien wzmacniających jest większa od długości odcinka pasma. Stosunek długości włókien wzmacniających i odcinków pasma zależy od skręcenia tego pasma i powiększa się ze wzrastającym skręceniem. Średnica cząstek granulatu znajduje się zwykle w obszarze od 1 do 10 mm. Udział włókien wzmacniających w cząstkach granulatu może wynosić od 10 do 80% wagowo. Liczba zwojów włókien wzmacniających w cząstkach granulatu może zmieniać się w szerokich granicach i znajduje się zwykle w obszarze od 0,1 do 0,5.

Cięte włókna wzmacniające stanowią włókna naturalne, włókna syntetyczne lub włókna mineralne. Odpowiednie do tego włókna stanowią na przykład włókna lniane, konopne i jutowe, jak również szklane, poliamidowe aromatyczne i węglowe. Materiał osnowy i włókien termoplastycznych może być wybrany zwłaszcza z polipropylenu, polietylenu i poliamidu.

Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się tym, że powodujące skręcenie pasma urządzenie obracające jest umieszczone za strefą chłodzenia i stanowi urządzenie odprowadzające dla pasma, przy czym granulator podczas procesu obcinania nie wywiera żadnego momentu obrotowego lub najwyżej pewien moment obrotowy, nie powodujący powrotnego skręcenia pasma. Granulator jest nastawiony przede wszystkim dla obcinania zasadniczo bez momentu obrotowego. Przez wyeliminowanie zwrotnego obracania otrzymuje się granulat, który pomimo brakującego stopienia rdzenia odznacza się wytrzymałością i zdolnością ociekania. Granulator może pracować w ten sposób, że elementy chwytające i obcinające pasmo obracają się razem mniej więcej z taką samą liczbą obrotów, co urządzenie obracające.

Korzystnie strefa wstępnego nagrzewania jest nastawiona tylko do stapiania strefy osłonowej pasma pociętych włókien. W analogiczny sposób jest nastawiona strefa ochładzania do chłodzenia i konsolidacji stopionej strefy osłonowej.

Wynalazek zostanie poniżej opisany dokładniej w oparciu o rysunek i przykłady wykonania. Na rysunku fig. 1 przedstawia w widoku z boku schematyczne ujęcie cząstki granulatu w postaci cylin4

PL 192 336 B1 drycznego odcinka pasmowego, przy czym włókna wzmacniające są zaznaczone tylko częściowo; fig.2 - przekrój przez cząstkę granulatu, pokazaną na fig. 1, oraz fig. 3 - schematyczne ujęcie urządzenia według wynalazku do wytwarzania granulatu długowłóknistego.

Na fig. 1jest pokazane, że włókna wzmacniające 11są umieszczone na odcinku w śrubowym zwoju, przy czym w strefie osłonowej włókna 11są osadzone w stopionym materiale osnowy 12. Figura 2 pokazuje w przekroju rdzeń 13 z włókien wzmacniających i termoplastycznych włókien osnowy oraz osłonę 14 z włókien wzmacniających 11w stopionym materiale osnowy 12.

Zgodnie z fig. 3 urządzenie obejmuje zbiornik zapasu 1, z którego pasmo włókien 2 z termoplastycznych włókien osłonowych i włókien wzmacniających zostaje doprowadzone poprzez wałek odprowadzający 3 do strefy nagrzewania wstępnego 4. W strefie nagrzewania wstępnego 4 włókna osłonowe zostają roztopione wewnątrz strefy osłonowej pasma. Potrzeba przy tym mniej energii, niż przy całkowitym przetopieniu, a prędkość pasma może być zwiększona. Po opuszczeniu strefy nagrzewania wstępnego 4 nagrzane pasmo materiału przebiega przez ogrzewaną dyszę 5, która powoduje kalibrowanie przekroju pasma. Następnie pasmo przebiega przez strefę ochładzającą 6, aby materiał osłonowy ponownie ochłodzić i skonsolidować. Obracanie pasma następuje na końcu strefy ochładzającej 6 za pomocą kombinowanego urządzenia odprowadzającego i obracającego 7. Elementem rdzeniowym kombinowanego urządzenia odprowadzającego i obracającego 7 są walce, które wykonują wzajemny ruch obrotowy dla odprowadzenia znajdującego się między nimi pasma oraz ruch obrotowy wokół osi pasma w celu jego skręcania. Rodzaj konstrukcji takiego urządzenia skręcającego jest znany z przemysłu tekstylnego i opisany w literaturze (W. Wegener, „Mechanizmy rozciągowe maszyn przędzalniczych”).

Obracanie pasma materiału rozciąga się od urządzenia obracającego 7 poprzez strefę ochładzającą 6 aż do dyszy nagrzewającej 5 i zostaje ograniczone tarciem o ściankę dyszy. Pasmo zostaje za pomocą granulatora 8 obrobione na określoną długość do postaci cząstek granulatu (granulat długowłóknisty). Przy tym jest zapewnione przy odpowiedniej konstrukcji granulatora to, że pasmo może się swobodnie obracać także podczas procesu obcinania. Wytworzone cząstki granulatu mają strukturę rdzeniowo-osłonową (skonsolidowany materiał osłonowo-włóknisty w rdzeniu). Za pomocą tego urządzenia pasmo może być skręcane w sposób określony w procesie ciągłym.

Przykład 1

Pasmo z włókien lnianych i polipropylenowych o rozdrobnieniu 10 ktex, średniej długości włókien lnianych i polipropylenowych 60 mm i zawartości włókien lnianych 30% wagowo zostaje nagrzane w pokazanym na fig. 3 odcinku instalacji nagrzewania wstępnego do temperatury 250°C. Po opuszczeniu odcinka wstępnego nagrzewania pasmo włókien przebiega przez ogrzaną do 250°C dyszę o średnicy 5 mm. Po opuszczeniu dyszy ciąg włókien przebiega przez dołączony odcinek chłodzący ijest obracany za pomocą kombinowanego urządzenia odprowadzającego i obracającego z prędkością 50 obrotów/metr. Na koniec ciąg materiałowy zostaje za pomocą granulatora pocięty na cząstki o długości 20 mm.

Przykład 2

Pasmo z włókien konopnych i polipropylenowych o rozdrobnieniu 8 ktex, średniej długości włókien 40 mm i zawartości włókien konopnych 20% wagowo zostaje nagrzane za pomocą gorącego powietrza do temperatury 230°C. Po opuszczeniu odcinka wstępnego nagrzewania pasmo włókien przebiega przez ogrzaną do 230°C dyszę o średnicy 4 mm. Po opuszczeniu dyszy ciąg włókien przebiega przez odcinek chłodzący dla skonsolidowania stopionej strefy i jest obracany za pomocą kombinowanego urządzenia odprowadzającego i obracającego z prędkością 30 obrotów/metr. Następnie ciąg ten zostaje za pomocą granulatora pocięty na grudki o długości 10 mm.

Przykład 3

Granulat długowłóknisty jako mieszanina szklanych włókien wzmacniających i poliamidowych włókien osłonowych o zawartości włókien szklanych 40% wagowo, średnicy granulatu 3 mm, długości po obcięciu 10 mm, obracaniu z prędkością 50 obrotów/metr zostaje zgodnie z wynalazkiem poddany obróbce na wtryskarce. W wyniku jednorodnego rozdzielenia włókien wzmacniających i śrubowego układu tych włókien mogą być dozowane bezproblemowo znaczne długości włókien wzmacniających i wytwarzane elementy konstrukcyjne o równomiernym rozdzieleniu włókien wzmacniających w masie poliamidowej.

Przykład 4

Granulat długowłóknisty będący mieszaniną lnianych włókien wzmacniających i polipropylenowych włókien osłonowych o zawartości włókien lnianych 30% wagowo, średnicy granulatu 6 mm, dłuPL 192 336 B1 gości obcinania 25 mm, obracaniu z prędkością 40 obrotów/metr zostaje stopiony w plastyfikatorze ślimakowym. Następnie ciąg materiałowy z plastyfikatorem zostaje umieszczony w prasie i wytłoczony do postaci elementu konstrukcyjnego o dużej powierzchni. Dzięki śrubowemu układowi włókien mogą być bezproblemowo dodawane włókna wzmacniające o znacznej długości. Oprócz tego w wyniku równomiernego rozdzielenia włókien wzmacniających może być uzyskana jednakowa zawartość włókien w całym tłoczonym elemencie.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania granulatu długowłóknistego z mieszaniny włókien ciętych, składającej się z włókien termoplastycznych i włókien wzmacniających, w którym ciąg włókien z mieszaniny włókien ciętych prowadzi się przez strefę nagrzewania wstępnego, następnie przeciąga się przez dyszę ogrzewającą do postaci pasma, po czym pasmo to po obracaniu i konsolidacji przez ochładzanie obcina się na określoną długość do postaci granulatu długowłóknistego, znamienny tym, że po nagrzaniu wstępnym i przejściu przez dyszę pasmo najpierw się chłodzi, po czym się je obraca i odprowadza do urządzenia tnącego w którym przy swobodnym obrotowym ruchu, włókna tnie się na określoną długość.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w strefie nagrzewania wstępnego termoplastyczną część pasma włókien stapia się tylko w jednym obszarze osłonowym.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w zależności od liczby obrotów do szybkości odprowadzania proces prowadzi się w zakresie od 10 do 150 obrotów/metr.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że proces prowadzi się w paśmie włókien z udziałem włókien wzmacniających w zakresie od 10 do 80% wagowo.
5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że średnią długość włókien wzmacniających w paśmie włókien stosuje się w zakresie 30 do 200 mm.
6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się rozdrobnienie pasma włókien w granicach 5 do 30 ktex.
7. Granulat długowłóknisty z cząstek granulatu, w których w termoplastycznej osnowie są umieszczone śrubowo cięte włókna wzmacniające, znamienny tym, że cięte włókna wzmacniające znajdują się razem ze stopionym materiałem osłonowym (12) i razem z niestopionymi termoplastycznymi włóknami ciętymi w strefie rdzeniowej (13).
8. Granulat długowłóknisty według zastrz. 7, znamienny tym, że cząstki stanowią odcinki pasma, a długość ich włókien wzmacniających (11) jest większa od długości odcinka pasma.
9. Granulat długowłóknisty według zastrz. 7, znamienny tym, że cięte włókna wzmacniające stanowią włókna naturalne, włókna syntetyczne lub włókna mineralne.
10. Granulat długowłóknisty według zastrz. 7, znamienny tym, że średnica cząstek granulatu wynosi od 1do 10 mm.
11. Granulat długowłóknisty według zastrz. 7, znamienny tym, że udział włókien wzmacniających (11) w cząstkach granulatu wynosi od 10 do 80% wagowo.
12. Granulat długowłóknisty według zastrz. 7, znamienny tym, że materiał osnowy i włókien termoplastycznych stanowi korzystnie polipropylen, polietylen lub poliamid.
13. Urządzenie do wytwarzania granulatu długowłóknistego z pasma ciętych włókien termoplastycznych i włókien wzmacniających, posiadające strefę nagrzewania wstępnego, dyszę ogrzewającą, strefę chłodzenia, urządzenie obracające i granulator, znamienne tym, że powodujące skręcenie pasma urządzenie obracające (7) jest umieszczone za strefą chłodzenia (6) i stanowi urządzenie odprowadzające dla pasma, a granulator (8) ma obrotowe urządzenie tnące, którego szybkość obrotowa jest korzystnie taka sama jak urządzenia obracającego (7), tak że podczas obcinania nie wywiera żadnego momentu obrotowego lub najwyżej pewien moment obrotowy, nie powodujący powrotnego skręcenia pasma.
14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że strefa wstępnego nagrzewania (4) jest nastawiona na stopienie tylko jednej strefy osłonowej.