TW200927799A - Reinforcing fiber bundles for making fiber reinforced polymer composites - Google Patents

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TW200927799A
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cut
fiber
cut fiber
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TW097137965A
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Thomas Edward Schmitt
John Alan Barnes
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Invista Tech Sarl
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200927799 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於短切有機強化纖維束，其適於體積或重量 計量至用於製造纖維強化聚合物複合物之複合製程中。 本申請案主張優先於2007年10月4曰申請的臨時申請案 第60/977,507號之權利。本申請案中以引用方式併入臨時 ' 申請案第60/977,507號之整體内容。 【先前技術】 © 諸如玻璃等無機纖維通常可用作熱塑性及熱固性聚合物 複合物二者中之強化纖維。玻璃強化纖維可改良複合物之 模數、強度及熱變形溫度。然而，該等脆纖維導致較低斷 裂伸長率及低衝擊強度，尤其在低溫下。在用於熱塑性聚 合物之典型樹脂複合作業中，將玻璃纖維（1 5_3 mm短切 或連續單絲粗紗）與熱塑性聚合物在複合擠出機中混合。 在長絲粗紗之情形下，擠出機可用作使脆玻璃粗紗斷裂成 短長度之構件。 φ 合成有機聚合物纖維及/或天然纖維素基纖維亦可用作 聚δ物複合物中之強化物且用於改良該複合物之耐低溫衝 擊舉例而吕，PCT公開專利申請案w〇 02/053629中闡述 3有熱塑性聚烯烴基質之可擠出及可模製聚合物複合材 料，其中分散有PET強化纖維及滑石粉填充劑。包含ρΕΤ 纖維展不改良經模製複合材料之冷衝擊強度。改良衝擊強 度不需要強化纖維與聚烯煙基質聚合物之間黏著。 可藉由切割局強度工業用紗及將該等壓缩成拥來製造短 134916.doc 200927799 切间強度聚口物纖維。然而，當處理器試圖將該等經切判 纖維計量至複合椅出機中時，該等纖維易於聚集在一起， 從而在複合樹脂中顯示不均句纖維含量及差的纖維分佈。 差的分佈會導致模製複合物之較差物理性質及表面外觀。 I例而s ’美國專利第ίο9,424號闡述可擠出且可模製 • $丙稀及聚乙稀組合物，其中分散有短切聚對苯二曱酸乙 - MPET)強化纖維 該M24專利案指出，不像玻璃纖維 =樣，其他合成聚合物纖維不能充分地分散於聚合物中而 κ易於聚集I起成纖維聚集態，此導致纖維在模製產物 中不均勻分佈。 頒予LUStiger之公開美國專利申請案第2〇〇6/〇2615〇9號 闡釋難以將經切割聚酿纖維計量至複合擠出機中。如此申 «青案所才曰出’重量或振動喂入器通常用於計量聚合物、填 充劑及添加劑並將其輸送至複合擠出機中。該等喂入器可 有效輸送顆粒或私末，但尤其極不適於輸送經切割聚合物 〇 '纖維，此乃因經切割纖維易於聚集成團或橋結，此導致進 入複合製程之喂人速率不—致。為解決此問題，本申請案 提出將連續聚醋絲條直接計量至複合擠出機中，其中該等 .絲條可在擠出機螺桿之作用下斷裂。儘管在脆纖維（例如 玻璃）之it况下可成功使用此方法，但對於高㈣（即高纖 維強度及伸長率）之聚酿強化纖維存在困難，此乃因在高 生產量複合製程期間，擠出機螺桿不可能使纖維絲條既完 全又均勻地斷裂。 頒予Matsum〇to等人之美國專利第6,2〇2,947號提供另一 134916.doc 200927799 種=量強化纖維之途徑，其中絲束切割機位於複合擠出機 之κ入埠處。調節切割機速度以將必需量纖維傳遞至擠出 機中。然而，需要對喂入料斗及排放裝置進行改良 該等纖維。 遇應 【發明内容】 、根據本發明，以❹習知體積或重量計量設備均勻喂入 複口製程之形式提供用於聚合物複合物之短切合成有機或 、纖維素基天然強化纖維。在可包括使用單或雙螺桿擠出機 或雙臂分批混合機之複合製程中，該強化纖維在複合製程 中分散且變得均勻分佈於基質樹脂中。本文所用合成纖維 意才曰自有機聚合物製造或衍生之合成纖維，且應特定包括 碳纖維。另外，本文所用纖維素基天然強化纖維應包括紗 形成之天然韌皮、葉或種毛纖維。 為呈經切割纖維束形式之強化纖維提供精整組合物，該 精整組合物對纖維進行塗佈且在每一經切割纖維束内之= ❹、維間形成短暫纖維間結合。此精整提供纖維間黏附並使該 等束之鬆密度增大，以使經切割纖維束團可藉由體積（體 積遞減式)或重量(重量遞減式)螺桿喂入器裝置均勻喂入且 .自此螺桿喂人器裝置流動至複合製程中。—旦在複合製程 巾與基質聚合物混合，則短暫結合將斷裂且經切割纖維束 分裂成分散於基質聚合物中之單獨的個別纖維。 在本發明之一個較佳實施例中，提供製備纖維強化聚合 物複合物之組合物。此種組合物包含經切割纖維束團，實 質上所有纖維束具有介於約3與15 mm之間之長度，且其中 134916.doc 200927799 大部分束具有至少16碎/立方英尺之平均鬆密度。 參 ❹ 所有經切割纖維束包含複數個相同長度之合成或 天然纖維，其經定向實質上彼此平行且其端部彼此4 展。-實質上所有束亦包含精整組合物，其塗佈纖維且在每 -經切割纖維束内形成短暫纖維間結合以提供纖維間黏 附。由精整組合物形成之該短暫纖維間結合允許將該經切 割纖維束團藉由體積（體積遞減式）或重量（重量遞減式）螺 桿喂入器裝置均勻喂入複合螺桿擠出機中，該擠出機亦含 有基質聚合物。-旦在複合螺桿擠出機中與基質聚合物混 合，短暫結合可斷裂且經切割纖維束可分裂成分散於孰塑 性基質聚合物中之單獨的個別纖維。該經切割纖維束團可 流動且可經由體_積遞減式）或重量（重量遞減式）螺桿 喂入器裝置以螺桿喂人器裝置較佳需要不大於約±10%的 螺桿RPM變化或職重量變化的喂入速率之均句度喂 入0 在本發明之又-態樣中，提供製備含纖維組合物之方 法’該組合物用於與聚合物基質複合並進而形成纖維強化 聚合㈣合物。該方法包括下列步驟：將複數個合成複絲 絲條或纖維素基天然纖維紗或粗紗之絲條用在該等絲條内 形成短暫單絲間結合之精整組合物塗佈；將經結合單絲絲 條切割成長度介於約3與15職間之經切割纖維束，其中每 一經切割纖維束含有複數個短暫結合的纖維；及形成個別 經切割纖維束之可流動團以提供平均鬆密度至少為财/ 立方英尺之束圈。在分離作業中’經切割纖維束之可流動 134916.doc •10· 200927799 團可沈積於體積（體積遞減式）或重量（重量遞減式）螺桿喂 入器裝置之喂入料斗中，該喂入料斗與複合製程呈質量； 遞連通狀態。可使用單或雙螺桿擠出機或雙f分抵W機 (例如，弓刀混合機（Sigma blade mixer))實施複合製程。亦 可將基質聚合物喂入複合製程。可將經切割纖維束之可流' 動團經由螺桿喂入器裝置喂入複合製程中，其中精整組： 物提供纖維間黏附，以使藉由螺桿喂入器裝置將短暫結人
之經切割纖維束均勻喂入複合製程中。一旦在複合製程中 混合，則短暫結合斷g，且經切割纖維束分裂成分散於基 質聚合物中之單獨的個別纖維。較佳地，喂人經切割纖維 束之可流動團之步驟包括以螺桿喂入器裝置需要不大於 ±10%的螺桿RPM的變化或±10%重量變化的喂入速率之均 勻度喂入經切割纖維束。 較佳地，每一複絲絲條含有100至400根單位長度質量為 5-22分特（dtex)/單絲之連續單絲。塗佈可藉由以下實施： 使複絲絲條前進穿過含有液體精整組合物之塗佈站、在塗 佈站處將液體精整組合物施加至連續複絲絲條、且用精整 組合物浸潰相應絲條、且乾燥該精整組合物以在絲條内形 成短暫單絲間結合。乾燥步驟可適當包括將經塗佈複絲絲 條暴露於熱以乾燥精整組合物。在一較佳實施例中，乾燥 步驟包含引導經塗佈複絲絲條越過一系列加熱滾筒，且切 割步驟包括使經塗佈複絲絲條直接自一系列加熱滾筒前進 至切割機裝置並將絲條切割成經切割纖維束。在另一實施 例中，烘箱替代加熱乾燥滚筒。 134916.doc • 11 - 200927799 精整組合物較佳以經塗佈 神複絲絲條總重量計以約0.5-1 0 重量％之量施加，且較佳句表 匕含可藉由加熱而乾燥之水基熱 塑性乳液。 在一特定實施例中，該方、、土 a 方法包括下列步驟：自線軸裝置 抽取複數個聚對苯二甲酸乙_ ^ 聚合物之複絲絲條，每一 ❹ 絲條包含約_至_根單位長度f量為m分特/單絲之連 續單絲。使複數個複絲絲條自線軸裝置前進至並Μ㈣ 站且因此將呈熱塑性聚合物水性乳液形式之精整組合物施 加至複絲絲條。在此之後使經塗佈複絲絲條前進至乾燥站 並加熱絲條以使精整組合物乾燥並在每一絲條内形成短暫 单絲間結合。然後使複絲絲條自乾燥站前進至切割站，其 中將絲條切割成長度介於約3-15廳之間之經切割纖維 束’其中每一經切割纖維束含有複數個短暫結合纖維。將 藉此形成之經切割纖維束（具有至少16磅/立方英尺之平均 鬆密度）收集成經切割纖維束之可流動團且包裝用以整裝 運輸。隨後將纖維沈積於體積（體積遞減式）或重量（重量遞 咸式）螺杯喂入器裝置之喂入料斗中，其可與單或雙螺桿 擠出機或雙臂分批混合機連接以實施複合製程。亦將熱塑 ^ :質聚合物(例如聚丙烯)或熱固性基質聚合物(例如乙烯 基Μ喂入複合製程中。經由螺桿喂入器裝置將經切割纖 維束之可流動團喂入複合螺桿擠出機中，同時精整組合物 提供纖維間黏附以使短暫結合之經切割纖維束藉由 入5§奘罢^ σ 均勻喂入複合螺桿擠出機中。一旦在複合單或雙 螺才干擠出機中或在雙臂分批混合機中混合，則短暫結合斷 134916.doc 200927799 中之單獨的 裂，且經切割纖維束分裂成分散於基質聚合物 個別纖維。 【實施方式】 現在下文將參照附圖對本發明予以—入& 一 尺王甸之說明，附圖 t展示了某些但非本發明之全部實施例。實際上本發明 彳體現為料*同形式，而残將本發明理解為僅限於本 文所述之實施例。相反，提供此等實施例以便本揭示内容 $足現行法律要求。在附圖中的若干圖形中，相同編號指 _ 示相同元件。 本發明係關於纖維強化聚合物複合物之領域，該等聚合 物複合物包含基質聚合物及均勻分散於該基質聚合物内I 強化纖維。該基質聚合物可為熱塑性聚合物（例如，聚烯 烴、聚酯、聚醯胺、丙烯酸、聚碳酸酯或聚醚酮，其中聚 丙烯較佳）❶基質聚合物亦可為熱固性聚合物（例如，聚 酯、乙烯基酯、或環氧樹脂）。強化纖維可為自有機聚合 藝物或天然纖維素基纖維製造或衍生之合成纖維，且其初始 製造成連續單絲複絲絲條、粗紗、或紗形式且轉化為短切 纖維束，如下文更全面說明。自有機聚合物所製造之合成 纖維之實例包括聚酯（包括聚對苯二曱酸乙二酯（PET)、聚 對苯二甲酸丁二酯（PBT)、聚對苯二甲酸丙二酯（ρττ)、聚 萘二曱酸乙二酯（PEN)、聚二苯甲酸乙二酯（pebb)、聚乳 酸（PLA)及其他聚酯）、液晶聚合物、人造絲乙酸纖維 素、三乙酸纖維素、聚醯胺（例如耐綸（nyl〇n)6及耐綸6,6， 但不排除其他对綸類）、聚酮、聚醚酮、丙稀酸、芳族聚 1349I6.doc -13- 200927799 醯胺、或其摻合物。源自有機聚合物之合成纖維之實例亦 包括碳纖維及部分氧化聚丙烯腈纖維。天然纖維素基纖維 之實例包括勒皮纖維（亞麻、大麻、黃麻、苧麻）、葉（瓊 麻、馬尼拉（manila))、及種毛（棉花、木棉）。較佳地，強 化纖維之熔融溫度應比基質聚合物之處理溫度高至少30 °C。在較佳實施例中，基質聚合物係聚丙烯，且強化纖維 係聚酯、較佳聚對苯二甲酸乙二酯（PET)、且更佳韌度為 至少55 cN/tex之高韌性pet纖維。 ® 使用習知體積（體積遞減式）或重量（重量遞減式）計量裝 置以均勻喂入複合製程中、但仍分散且在複合製程期間變 得均勻分佈於基質樹脂中之形式提供強化纖維。體積及重 量。t量裝置、且尤其體積及重量螺桿喂入器可自大量製造 商（包括Acdson Internationa卜 AccuRate/Schenck、Brabender、 K-Tron、Hapman及 Stock)處講得。 為呈經切割纖維束形式之強化纖維提供精整組合物其 ❹ 對纖維進行塗佈且在每一經切割纖維束内形成短暫纖維間 結合。術語"短暫結合"意指暫時或臨時纖維間結合。其為 經切割纖維束提供纖維間黏附以使經切割纖維束之鬆散團 或堆可藉由體積遞減式或重量遞減式螺桿喂入器裝置均勻 喂入複合製程中。然而，-旦在複合製程中與基質聚合物 混合，則短暫結合斷裂（例如大多數且較佳冑質上所有短 暫結合斷裂)且經切割纖維束分裂成分散於基質聚合物中 之單獨的個別纖維。自經切割纖維束分裂產生之個別纖維 之長度當然不會大於束本身之長度。較佳地，實質上所有 I349l6.doc 14 200927799 該等個別纖維之長度可與卷 度相同。 了與…束分裂時其獲得之束的長 經切割纖維束包含複數個相 ㈣a奋新 相问長度之合成有機纖維，其 P實質上彼此平行且其端部彼此妓擴屝接敕 、 • 肖纖維進行塗佈並在每-纖維走心：。精整組合物 纖維束内形成短暫纖維間結合。 • 纖/束之長度介於約3與Μ咖之間、較佳約⑷ 維。當藉由重力且未經二積τ_°°根個別纖 β平均鬆密度為至少立方英尺積時更:切割纖維束形成 嘮/立方英尺、更好至少20磅/立方 2可’其_由本文所述之纖維流動能 ;量測。與此相反，未上裝切割纖維具有顯著較低的鬆密 度，通常大約10-14磅/立方英尺。 在圖1令，參考符號10通常表示本發明經切割纖維束u 團或隹在圖2中’以較大比例示意性顯示經切割纖維 束11中之-者。每一經切割纖維束包括複數個相同長度之 φ 合成有機纖維12 ’其經定向實質上彼此平行且其端部13實 質上彼此共擴展。精整組合物14對纖維進行塗佈且在經切 割纖維束11内形成短暫纖維間結合。精整組合物14係沿經 切割纖維束之外部表面呈現且亦渗透至束内部，在許多單 根纖維間橋結以形成短暫纖維間結合。較佳地’精整組合 物環繞許多纖維且並使其濁濕。精整組合物係以佔經塗佈 纖維總重量之約〇·5-10重量％、且更佳2-6重量％之量存 在。在所示實施例中’經切割纖維束之纖維一般彼此黏結 成橢圓形或扁平帶狀橫截面之形式。 134916.doc -15- 200927799 本發明之精整組合物及方法製造展示以均Μ量遞減或 體積遞減方式計量至塑料複合製程中之經切割纖維束。該 等纖維對於喂入具有束完整性，但在混合步驟中仍充分分 散。精整組合物應具有製造纖維所需之優良熱穩定性及纖 維潤滑性之性質，且應既不放出氣體亦不干擾樹脂複合且 不應損害最終模製樹脂複合材料之性質。在期望改良耐衝 擊性之情形巾，精整組合物衫促進纖維與基f樹脂間之 黏著。 較佳地，精整組合物包括可呈溶液或乳液形式之熱塑性 聚合物。適宜熱塑性聚合物組合物可包括(但不限於)含有 以下之熱塑性聚合物乳液及溶液：聚乙稀醇、聚丙烯酸及 丙烯酸醋、聚醋、聚醯胺，性聚胺基f酸醋、澱粉、 蠘、聚乙酸乙稀醋、聚石夕氧組合物、含氟化學品、或該等 中兩種或更多種之組合。尤佳精整組合物包括聚丙婦酸、 聚醋及熱塑性聚胺基曱酸醋。精整組合物亦可含有抗靜電 添加劑、黏著促進劑或染色劑。 藉由施加精整組合物於連續複絲絲條且隨後切割絲條以 形成經切割纖維束來製造經切割纖維束。本文所用術語" 連續複絲絲條"意指由複數個集合在一起以形成每一絲條 之連續單絲所形成之絲條m請通常意指"單絲紗"或 ”複絲紗"。絲條可無撚但可含有空氣變形單絲。較佳地， 每一絲條或紗含有約100至約400根連續單絲，其中每一單 絲具有5-22分特/細絲之單位長度質量，其中絲條之整體線 密度為約500-8800分特、較佳約1〇〇〇_4〇〇〇分特且更佳約 134916.doc 200927799 13〇〇-3_分特。在天然、纖維素基纖維之情形中’通常首 將纖維轉化為低撚粗紗或加撚紗，然後將其以有機聚合 物絲條之方式處理。 可使用在其他織物處理作業中所發現之標準設備施加精 整、”且口物。舉例而言，可使用類似於通常用於施加漿料於 ‘、經紗為織造作準備之聚紗或經向拉伸方法塗佈絲條。將含 有紡絲複絲紗之卷裝、筒管或織轴排布於線轴架上。自卷 t、筒管或織軸抽取紗’引導穿過梳形導紗器以形成經紗 片，且然後使其向前連續穿過塗佈站（於其中施加精整組 口物）及乾燥站（例如加熱烘箱，於其令乾燥精整組合物）。 塗佈站可包含（例如）藉助其浸潰紗片之浴。可使如此塗佈 -持片形式捲繞於經軸上，或可將紗個別地捲繞成 卷裝内或捲繞於筒管上。經向拉伸過程可在250-500米/分 鐘之處理速度下運作150_25〇根個別訪紗。在後續步驟 中，可使塗佈紗退繞且將其引導穿過切割機，該切割機將 φ 其切割成個別經切割纖維束。 在使用漿紗機之情況中，可將紗之卷裝或筒管集束並捲 ==轴上。多個分條整經轴可運行穿過漿紗機上 =程並將其捲繞於主經轴上。可將來自一或多個主經軸 之纖維-起切割成經切割纖雉束並進行包裝。以 可優化每一步之速度及；ΦΛ. 4* , 合物谁m 藉由此方法用精整組 仃’、時，在乾燥步驟甲兩個或更多個鄰近接觸μ 可因精整組合物而變得彼此輕微結合。當藉由切割機= 連接紗連續或㈣㈣!絲散長度時，㈣，㈣復織維束目 1349I6.doc 17 200927799 11可仍然相連接，此產生兩個、三個或更多個相連接經切 割纖維束之簇。該等簇之若干可能組態係展示於圖3中且 由參考編號16表示。經切割纖維束21之該等相連接簇16可 有利地增加鬆密度並改良經切割纖維束之喂入能力。相連 _ 接經切割纖維束將因複合製程作用而斷開，此使得每一經 . ㈣纖維束之個別纖維在複合製程中分散於樹脂基質中。 在另一方法中，可將精整組合物在生產紗 絲-拉伸製程中施加於炒。在此製程中，以3,000.6,0^ 分鐘之最終速度將每一根紗個別地紡紗、拉伸、熱定形、 且捲繞於筒管上。在纖維播出之後且在將紗捲繞成卷裝、 筒管或經軸之前，施加精整組合物且藉由加熱進行乾燥。 精整組合物亦可與切割步驟組合施加至紗。在此情形 t ’將許多紗端部集束在—起並喂人纖維切割機中。當紗 朝向切割機前進時，其穿過施加精整組合物之塗佈站，且 然後在喂入切割機之前穿過乾燥站。 Ο f Μ 4B示意性地繪示用於製造本發明經切割纖維束 之0又備的一種可能佈置。複絲紗32之卷裝31佈置於線軸架 33上料32自各卷裝退繞並由適宜導紗H34引導至塗佈 AJi "5 λ Ά· * a.
134916.doc ’ W塗佈站採取上漿浴之形式。 ’其含有精整組合物且包括經佈 合物中且牽引其穿過精整組合物 向則經由乾燥站3 7，其包括一 之加熱乾燥罐3 8。然後使紗進 於其中將每一紗切割成短長度 -18- 200927799 以形成經切割纖維束。將經切割纖維束收集於位於切割機 裝置41之下之適宜散裝容器中。 ° 在圖5中，*參考符號5〇表示典型雙-螺才罕複合播出機。 將呈顆粒碎片或小球形式之熱塑性聚合物經由主喂入料斗 51风入擠出機之筒中。第一及第二重量遞減式螺桿喂入器 裝置52及53連接至擠出機5Q以將材料計量至距引人熱塑性 聚合物顆粒之下游短距離之擠出機筒中。可將本發明之經
切割纖維束放置於第一喂入器裝置52之料斗中且第二喂入 器裝置53可用於將其他固體材料(例如滑石粉或其他填充 劑）引入擠出機中。或者，可顛倒引人經切割纖維束及其 他固體材料（例如，滑石粉）之順序，或可各自自單獨喂入 料斗進行計量，混合在-起，並喂人複合㈣機之單一痒 中。 螺桿喂入器裝置52及53具有可變速螺桿螺旋推運器，其 經程式化以控制材料自料斗之喂入速度。此種喂入器裝置 ❹ f入硬材料(例如聚合物小球、粉狀填充劑及短切玻璃纖 維)毫無困難。然而，較不致密的材料(例如合成聚合物纖 維Μ往橋結，亦即，形成會造成纖維流動斷斷續續或完 全阻塞之纖維填絮。觀測結果顯示橋結可受多個因素影 響。其中該等因素係平均纖維鬆密度、自纖維處理之密度 損2、絨毛纖維對纖維束之量、纖維可壓縮性、束尺寸及 束完整性、束-束抱合力、及纖維_金屬光滑度。可有利地 利用所選施加至經切割纖維束之纖維上漿劑之類型及量來 改變該等因素中的一個或多個，藉此以提供可形成"可流 134916.doc 200927799 動團之經切割纖維束’其避免橋結且因此可經由此類型 之螺桿喂入器裝置均勻喂入。 纖維流動能力測試 可藉由簡單實驗室測試量測本發明經切割纖維束之流動 旎力，該測試提供與在螺桿_喂入體積或重量喂入器中所 #現之彼等條件相似之條件。纖維流動能力測試設備係描 .a於圖6中，且由内技為75爪瓜且長度為6〇〇瓜爪之末端開 口圓柱形管及外徑為65 mm、長度為600 mm且重量為1〇〇〇 克之圓柱形柱塞組成。該管具有光滑内表面且可適宜地由 標稱直徑為3英吋之Pvc塑料管構造。柱塞可適宜地由標 稱直控為2英对之pVc塑料管構造且配備有直徑稍微小於3 英吋管内經之面板。 測試程序係如下：（1)在圓柱形管豎直立於一個表面上 時，用300克鬆散纖維填充該管。手動使鬆散纖維之代表 性簇絨落入該管中。（2)量測該管中鬆散纖維之高度並計算 ❹鬆密度。（3)使用1〇00克柱塞自與管頂部齊平之高度釋放之 下落力將纖維填實5次。（4)量測纖維之經填實高度並計算 鬆也、度。（5)將圓柱形管自硬表面升起以使纖維自由流動脫 離該管底部。（6)量測任何未脫離底部之纖維之重量。在管 中所保留之纖維的克質量稱作纖維”滯留量”。"滯留量"亦 可表示為初始纖維載荷之百分比。 測試設備之基礎理論在於在螺桿喂入器裝置之料斗口中 之纖維係由其上方纖維之重量進行壓縮。管之75 mm直徑 大體對應於典型螺桿喂入裝置中喂入螺旋推運器之螺紋間 134916.doc -20- 200927799 之距離。在測試中，纖維係藉由柱塞壓縮且量測整體纖維 載荷流過管之能力。認為保持於圓筒内之纖維係"橋結"纖 維。 藉由下述非限制性實例進一步闡釋本發明。 實例1 以不同固體含量使用如表1所述之若干上漿劑塗佈 INVISTA T787聚酯紗（1300旦尼爾/192根單絲，7_5分特/單 絲；69 cN/tex韌度’ 26%斷裂伸長率）。上漿劑包括來自 Rohm & Haas之Rhoplex B-85丙烯酸乳液、聚乙烯醇上漿 劑（來自DuPont之Elvanol)、丙稀酸均聚物（來自Huntsman Textile Effects 之 Syncol F40)、聚酯上漿劑（來自 Seydel -Wooley之SeycoFilm 712)、及基於水的熱塑性聚胺基甲酸 酯乳液（來自Hydrosize之U2-0ip在塗佈後，將紗切割成6 mm之標稱長度。亦製造含有未塗佈紗之相似經切割纖維 束之對照樣品。對對照樣品及上漿樣品實施上述測試程 序，且結果報告於表1中。 134916.doc 200927799 表1 來自經上漿及未上漿紗之流動能力結果 測材料 試 初始高 鬆密 鬆密 經夯實 度， 度， 度， 高度， cm g/cm3 lb/ft3 cm 密 3 * m 鬆度的 經夯實鬆 滞留 %滞 密度* 量* g 留 Ib/ft3 ❹ ❹ 1 未上漿 37 0.184 11.4 17 0.399 24.9 65 22% 2 未上漿 39 0.174 10.9 17 0.399 24.9 98 33% 3 未上漿 36 0.189 11.8 15 0.453 28.2 23 8% 4 未上漿 35 0.194 12.1 15 0.453 28.2 240 80% 5 未上漿 30 0.226 14.1 19 0.357 22.3 184 61% 6 未上漿 43 0.158 9.8 19 0.357 22.3 220 73% 7 未上漿 39 0.174 10.9 18 0.377 23.5 122 41% 8 上漿 3% Rhoplex B-85 丙烯酸 36 0.189 11.8 17 0.399 24.9 138 46% 9 上漿 3% Elvanol 85-82 PVOH 33 0.206 12.8 17 0.399 24.9 136 45% 10 上漿 1 % Hydrosize U2 聚胺基甲酸酯 38 0.179 11.1 16 0.424 26.5 190 63% 11 上漿 2% Hydrosize U2 聚胺基曱酸酯 22 0.309 19.3 15 0.453 28.2 0 0% 12 上漿 6% Hydrosize U2 聚胺基甲酸酯 25 0.272 16.9 17 0.399 24.9 0 0% 13 上漿 4% Syncol F40 聚丙烯酸 24 0.283 17.6 16 0.424 26.5 0 0% 14 上漿 2% 聚醋 Seycofilm 712 26 0.261 16.3 15 0,453 28.2 0 0% 實例2 將來自表1之纖維樣品6、10、及12帶至位於North Carolina-Charlotte大學的 Polymer Center of Excellence。於 此處纖維運行穿過具有44 mm直徑旋轉推運器之Brabender FlexWall H32-FW79喂入器。首先試驗樣品12 (6%
Hydrosize U2-01)。將約65磅纖維裝填至喂入料斗中且將 喂入器旋轉推運器速度設定為最大值之50%。在此速度 -22· 134916.doc 200927799 下，纖維之喂入速度係約50磅/小時。然後喂入器經程式 化以自動模式每小時喂入5〇磅。圖7顯示纖維載荷之纖維 喂入速度及佔最大喂入器速度的％之變化。纖維喂入器能 夠在+/_2.5%的目標速率内及約+/_1〇%螺旋推運器速度變 化下傳遞纖維。比較起來’纖維樣品6及1〇體積較大且不 應藉由螺旋推運器傳遞。即使使用最大喂入器速度，亦無 纖維排出。 獲益於别述說明書及相關圖示中所提供之教示，凡熟習 該等發明所屬技術領域者皆可聯想出本文所述本發明之多 種修改及其他實施例。因此’應瞭解，本發明並不限於所 揭示之具體實施例’且各種修改及其他實施例亦應包括於 隨附申請專利範圍之範疇内。儘管本文使用特定術語，但 其使用僅具有一般及敍述性意義且並非出於限制之目的。 【圖式簡單說明】 在已概述闡釋本發明之後，現在將參照附圖，其未必按 比例繪製，且其中： 圖1係繪示本發明經切割纖維束之團之透視圖，其中束 可適用於使用習知重量（重量遞減式）或體積（體積遞減式） 螺桿喂入器均勻喂入複合製程； 圖2係一個經切割纖維束之放大透視圖； 圖3係本發明另一實施例之經切割纖維束之放大透視 圖； 圖4A及化係分別繪示用於製造經切割纖維束之設備的 平面圖及立視圖； 134916.doc 23· 200927799 圖5係用於製造纖維強化聚合物複合物之典型複合螺桿 擠出機之示意圖； 圖6係纖維流動能力測試器之圖解；及 圖7係顯示在實例2中所實施測試之纖維喂入速率及佔最 大喂入器速度百分比之變化的曲線圖。 【主要元件符號說明】 10 經切割纖維束之團或堆 11 〇 12 13 14 16 31 32 33 34 ❹ 35 37 38 41 50 51 52 53 經切割纖維束 合成有機纖維 端部 精整組合物 相連接簇 卷裝 複絲紗 線軸架 導紗器 塗佈站 乾燥站 加熱乾燥罐 紗切割機裝置 典型雙-螺桿複合擠出機 主嘴入料斗 ^重量遞減式螺桿喂入器裝置 第-重量遞減式螺桿喂入器裝置 134916.doc '24-

Claims (1)

  1. 200927799 十、申請專利範圍： i•-種含纖維組合物，其適於與基㈣合物在複合製程中 複合以形成纖維強化聚合物複合物，該組合物包含經切 割纖維束之團’該團具有至少16磅，立方英尺之平均鬆密 ’且其中實質上所有該等經切割纖維束具有介於約3 與15 mm之間之長度且包含複數個長度基本相同、經定 向實質上彼此平行且其端部實質上彼此共擴展之合成或 纖維素基天然纖維’且其中實質上所有經切割纖維束進 ® -步包含精整組合物，該組合物塗佈料束内之纖維且 在每一經切割纖維束内形成短暫纖維間結合以提供纖維 間黏附，當該等束在複合製程中複合時，該等短暫纖維 間結合可斷裂以使該等經切割纖維束可分裂成單獨的個 別纖維以在該製程期間分散於該基質聚合物中。 2·如明求項1之組合物，其中該經切割纖維束團可流動達 到该纖維束團可經由體積或重量螺桿喂入器裝置均勻喂 入複合製程中之程度。 3. 如請求項2之組合物，其中該經切割纖維束團可流動達 到以下程度：在喂入期間其可經由體積螺桿喂入器裝置 在喂入器螺桿RPM變化需要不大於約±10。/〇之條件下均勻 喂入’或經由重量螺桿喂入器裝置在重量變化需要不大 於約± 10%變化之條件下均勻喂入。 4. 如清求項1之組合物，其中該等經切割纖維束之纖維具 有5-22分特之單位長度質量。 5. 如請求項4之組合物，其中該經切割纖維束團每個經切 134916.doc 200927799 割纖維束含有平均約100-400根纖維。 6. 如清求項1之組合物，其中該等經切割纖維束之纖維彼 此黏結成橢圓形或扁平帶狀橫截面之形式。 7. 如請求们之組合物，其中該束團内的該等經切割纖維 束中之兩個或多個係相連接。 、 8. 如請求们之組合物’其中該精整組合物佔該等經切割 纖維束内該等經塗佈纖維總重量的約〇 5_1〇重量％。 ° 9. 如請求们之組合物’其中該精整組合物佔該等經切割 纖維束内該等經塗佈纖維總重量的約2 _ 6重量％。 1〇.如請求項9之組合物，其中該精整組合物包含水基敎塑 性聚合物乳液。 …塑 ❹ U.如請求項1〇之組合物’其中該精整組合物係選自由下列 組成之群：聚乙烯醇、丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚酯、聚 酿胺、熱塑性聚胺基甲酸醋、殿粉、纖、聚乙酸乙稀 人。聚夕氧組合物、含氟化學品、黏著促進劑、及其組 求項1之組合物，其中該等束内之該等纖維係合成 曰* ，其由選自由下列組成之群之材料製得：聚醋、液 ::合物、聚酿胺、聚酮、聚峻，、碳、部分氧化聚丙 厂丙賴、芳族聚醯胺、及其摻合物。 塑性：：1之組合物其中該等束内之該等纖維包含熱 二：物纖維’其包含選自由下列組成之群之聚酯： 酿、本二甲酸乙二_、聚萘二甲酸乙二醋、聚對苯二甲 丙-顆、聚對笨二甲酸丁二醋、聚二苯甲酸乙二醋、 134916.doc 200927799 聚乳酸、及其摻合物。 14.如清求項丨之組合物，其中該等束内之該等纖維係選自 由勃皮纖維、葉纖維、種毛纖維或其組合組成之群之天 然纖維素基纖維。 15·如請求項丨4之組合物，其中該等束内之該等纖維係選自 由下列組成之群：亞麻、大麻、黃麻、苧麻、瓊麻、馬 尼拉（manila)、棉花、及木棉纖維。 16. —種含纖維組合物，其適於與熱塑性或熱固性基質聚合 物在複合製程中複合以形成纖維強化聚合物複合物該 組合物包含經切割纖維束之團，該團具有至少16磅/立方 英尺之平均鬆密度，且其中實質上所有該等經切割纖維 束具有介於約3與15 mm之間之長度且每一束包含約1〇〇_ 4〇〇根長度實質上相同、經定向實質上彼此平行且其端 部實質上彼此共擴展之聚對苯二甲酸乙二酯纖維，且其 中實質上所有該等經切割纖維束進一步包含佔該束約 〇.5_10重量％之精整組合物，該精整組合物選自由下列組 成之群：聚乙烯醇、丙烯酸酯、聚丙烯酸、熱塑性聚胺 基甲酸酿、澱粉、蠟、聚乙酸乙烯醋、聚矽氧組合物、 含氟化學品、黏著促進劑、及其組合，該精整組合物塗 佈該等束内之纖維。 17.如請求項16之組合物，其中該精整組合物包含水基熱塑 性聚合物乳液且係以佔該等經塗佈纖維總重量之約Μ重 量％之量存在於每一束中。 1 8. —種製備強化纖維束方 m糸忒等束適於供纖維強化聚 134916.doc 200927799 合物複合物t之最終分散液用之纖維，該方法包含： 將複數個自合成有機聚合物或纖維素基天然纖維產生 或仿生之複絲絲條用在該等絲條内形成短暫單絲間結合 之精整組合物塗佈； 將該等結合單絲之絲條切割成長度介於約3與15随之 間之經切割纖維束’每一經切割纖維束含有複數個短暫 結合纖維；及 形成該等個別經切割纖維束之可流動團，以使該束團 具有至少16磅/立方英尺之平均鬆密度。 19.如：求項18之方法，其中該塗佈複數個複絲絲條之步驟 3引導複數個複絲絲條，每一絲條含有1 00-400根連 續單絲且具有5_22分特/絲條之單位長度質量，穿過含有 液體精整組合物之塗佈站’在該塗佈站中將該液體精整 組合物施加至該等連續複絲絲條且用該精整組合物浸潰 該等絲條，且乾燥該精整組合物以在該等絲條内形成短 暫單絲間結合。 20.如請求項19之方法，其中該乾燥步驟包含引導該等經塗 佈複絲絲條穿過烘箱或越過一系列加熱滾筒上，且其中 該切割步驟包含該等經塗佈複絲絲條直接自該等一系列 加熱滾筒前進至切割機裝置並將該等絲條切割成該等經 切割纖維束。 21_如請求項18之方法，其中該塗佈步驟包含以佔該等經塗 佈複絲絲條總重量的約0.5-10重量％之量施加該精整組合 物。 134916.doc 200927799 · · 22. —種為纖維強化聚合物複合物提供強化纖維之方法該 強化纖維係以經切割纖維束之團之形式提供，該方法包 含： 自線軸架裝置抽取複數個聚對笨二曱酸乙二酯聚合物 - 之複絲絲條，每一絲條具有5-22分特/單絲之單位長度質 量且每一絲條含有約100-400根連續單絲； 使該複數個複絲絲條自該線軸架裝置前進至並穿過塗 佈站且在該塗佈站内將呈熱塑性聚合物之水性乳液形式 ® 之精整組合物施加至該等複絲絲條作為塗層，該熱塑性 聚合物選自由下列組成之群：聚乙烯醇、丙烯酸酯、聚 丙烯酸、聚酯、聚醯胺、熱塑性聚胺基甲酸酯、澱粉、 蠟、聚乙酸乙烯酯、及其組合； 使該等經塗佈複絲絲條自該塗佈站前進至乾燥站並在 該乾燥站内加熱該等絲條以使該精整組合物乾燥且在每 一複絲絲條内形成短暫單絲間結合； ❹使該等複絲絲條自該乾燥站前進至切割站且在該切割 站内將該等絲條切割成長度介於約3與15 mm之間之經切 割纖維束’每一經切割纖維束含有複數個短暫結合纖 維；及 將該等經切割纖維束收集成具有至少16磅/立方英尺之 平均鬆密度之團。 23 ·如請求項22之方法’其中該加熱該等經塗佈複絲絲條之 步驟包含引導該等複絲絲條越過一系列加熱乾燥罐且乾 燥該熱塑性聚合物乳液，同時使該等絲條形成具有帶狀 134916.doc 200927799 . 絲條橫截面之彼等絲條。 24. 如請求項23之方法，其中該乾燥該熱塑性聚合物乳液同 時使該等絲條形成帶狀絲條橫截面之彼等絲條之步驟包 含：乾燥該乳液同時使至少—些絲條彼此接觸，以使至 少-些絲條彼此黏結並相連接’且其中該將該等絲條切 • 割成經㈣纖維束之㈣包含㈣該等相連接絲條以形 成相連接之經切割纖維束。 25. 如叫求項22之方法’其包括將該經切割纖維束團引入體 ❹ 積或重量螺桿喂人器裝置之額外步驟，且其中該經切割 纖維束團可流動達到以下程度：在喂人期間其可經由該 體積螺桿喂入器裝置在喂入器螺桿RpM的變化需要不大 於約±1〇〇/〇之條件下均勻喂入，或經由該重量螺桿喂入器 裝置在重量變化需要不大於約士 1〇%變化之條件下喂入。 26. —種製備纖維強化聚合物複合物之方法，該方法包含將 基質聚合物喂入複合製程；將包含請求項丨之組合物之 • 經切割纖維束之可流動團沈積於體積或重量螺桿喂入器 裝置之喂入料斗中，該螺桿喂入器裝置與該複合製程呈 質量傳遞連通狀態；將該經切割纖維束可流動團經由該 螺桿喂入器裝置喂入該複合製程，以下列方式實施該複 合製程：使該等經切割纖維束中之纖維間之短暫結合斷 裂且因此該等經切割纖維束分裂成長度不大於該等束長 度之單獨的個別纖維’該等個別纖維分散於該基質聚合 物中。 27.如請求項26之方法’其中該經由該螺桿喂入器裝置將該 134916.doc 200927799 經切割纖維束可流動團喂入該複合製程之步驟係均句& 實施以使在喂入期間該體積螺桿喂入器裝置需要不大於 約±10%的喂入螺桿RPM的變化或以使該重量螺桿喂入器 裝置需要不大於約±10%變化的重量變化。 28. 如請求項26之方法’其中該基質聚合物係熱塑性聚合物 且該複合製程係在單或雙螺桿擠出機中實施。 29. 如:青求項26之方法，其中該基質聚合物係熱塑性聚合物 且該複合製程係在雙臂分批混合機中實施。
    134916.doc
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