WO2004103664A1 - Verfahren zum herstellen von verdichteten, mit kunststoff beschichteten, fasersträngen - Google Patents

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WO2004103664A1
WO2004103664A1 PCT/CH2004/000311 CH2004000311W WO2004103664A1 WO 2004103664 A1 WO2004103664 A1 WO 2004103664A1 CH 2004000311 W CH2004000311 W CH 2004000311W WO 2004103664 A1 WO2004103664 A1 WO 2004103664A1
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fibers
fiber
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Theo STÄHELI
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Sia Abrasive Industries Ag
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    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/50—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of indefinite length, e.g. prepregs, sheet moulding compounds [SMC] or cross moulding compounds [XMC]

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing compressed, plastic-coated fibers or fiber strands, consisting of essentially unidirectional parallel fibers.
  • the present invention relates to a method for producing calibrated and compacted thin threads or tapes, which consist of substantially parallel oriented continuous fibers and which, for example, for the production of calibrated thin threads, in particular saw threads for cutting precise workpieces in the electronics industry, or for the production of tapes and prepregs, fiber-reinforced
  • Plastic granules, of fiber-reinforced molded parts as well as used in the drawing are plastic granules, of fiber-reinforced molded parts as well as used in the drawing.
  • fibers coated with plastic, and fiber strands which preferably consist of essentially parallel continuous fibers, also in the form of tapes or prepregs, is known per se.
  • fiber strands, which consist of continuous fibers are coated with a plastic, or a mixture of plastics, which can contain various additives, and in further processing stages, depending on the intended use, to form threads, to granules, to fiber-reinforced molded parts or to pultruded or extruded profiles processed.
  • the fiber strands to be coated are preferably moved through a fluidized bed.
  • This fluidized bed generally consists of a thermoplastic polymer powder, in which additives may have been incorporated (compounded), or of a thermosetting plastic powder or plastic powder prep, which is applied to the fibers as a coating. It is also possible to uniformly apply the individual components of the coating directly to the fiber in the desired composition using the fluidized bed process, the individual coating components located in the fluidized bed optionally also being mixed in the fluidized bed, so that the individual components separate is practically prevented.
  • the coated fibers are then preferably melted at least partially in a continuous furnace, for example by means of IR radiation, and then cooled again. In this way, an improved distribution of the plastic on the fiber is achieved. enough.
  • this dry coating method has the disadvantage that part of the powder used for coating falls off the fiber again after exiting the coating unit, as a result of which the powder application and thus the resin content and / or the filler content in the end product is restricted, which impairs the quality of the end product ,
  • the coating powder also falls off in the continuous furnace and decomposes in contact with the overheated surface of the furnace, so that decomposition products are created which reach the ventilation system and the environment via the exhaust air.
  • these particles as dust and as decomposition products also get into other parts of the production system, in particular into the filters of the ventilation system, and close the filters of the ventilation system there. This in turn leads to imbalances in operational management and operating conditions, which has a negative impact on the quality of the coated fiber strands.
  • these threads are worked as thinly as possible and also very precisely, ie in the same diameter along their entire length, the diameter of these threads being in the micron range, preferably in the range of 100-1000 microns ( ⁇ m), and the range of variation of the linear deviation of the diameter from the nominal value should be within a few microns.
  • a very precise calibration of the threads is necessary, which means that both the diameter and the roundness of the thread along the entire length of the thread are precisely set and checked within the specified mass.
  • linear unidirectional fiber strands or rovings are also used, also in the present invention, that is fiber strands or rovings in which the continuous threads are essentially parallel, and essentially straight or are arranged plane-parallel. These rovings are easier to fan out in the coating process and thus coated more evenly.
  • Such threads can then be processed further, for example additionally coated with a suitable plastic and / or optionally with mineral grain, and then cured.
  • a particular embodiment of the present invention is that the rotating device consists of a rotating calibration nozzle.
  • the fiber composite is additionally calibrated and particularly strongly homogenized, at the same time compressed, the enclosed gases being forced out of the composite.
  • the result is calibrated fiber strands, which are precisely worked in diameter along their entire length and have only a slight linear deviation in the desired diameter and thus have a high degree of rounding, and are also very compact or compacted.
  • the material applied to the continuous fibers during the coating is better distributed in the fiber strand due to the action of the rotating device. In this way, no or very little material falls off the coated fiber when it enters the continuous furnace. Thereby material losses are reduced, the consumption of material and optimized to protect the environment, which is used in particular in 'heating or during the curing of the coating materials for the effect.
  • any melt cone is flung away through the rotating calibration nozzle at the nozzle edge and does not deposit on the thread drop by drop.
  • any melt cone is flung away at the nozzle outlet. The result is a calibrated thread of high density and free of air pockets.
  • the filler content in the coating premix can be increased significantly by the method according to the invention, so that products with a lower fiber content and a higher filler content can be produced.
  • the bulk density and the free-flowing properties of a granulate produced from such threads compressed according to the invention are also significantly increased and the fluff formation during the granulation is considerably reduced.
  • the inventive method also surprisingly increases the tensile strength of the coated fiber strands in the manufacturing process itself and can be without further doubled. Thread breaks in the process, in particular also in the area between the coating device and the rotating unit, are largely avoided in this way, even with high thread tension.
  • the invention relates to a method for producing compressed fibers or fiber strands coated with plastic, consisting of substantially parallel oriented continuous fibers, starting from fiber strands consisting of continuous fibers coated with plastic, characterized in that fiber strands, or several such fibers, are used Fiber strands in the composite, consisting of essentially parallel aligned continuous fibers, on which the plastic, possibly in powder form, is in the molten or liquid state, then leads to the coating through a rotating device with which a local rotation on the Fibers is exerted, so that the individual threads are twisted in the process, starting from the turning device along the threads backwards in the direction of the coating device, in the form of twists, whereby However, after passing through the rotating device, the rotations no longer exist or only exist to a small extent, so that after passing through the rotating device, the continuous fibers have no or only a small number of spiral-shaped rotations per meter, but essentially parallel and linear, or straight, are arranged.
  • the invention also relates to a special embodiment for producing compressed, plastic-coated fibers or fiber strands, consisting of essentially parallel oriented continuous fibers, which is characterized in that the rotating device consists of a rotating calibration nozzle, with calibrated and compressed threads be preserved.
  • the invention also relates to a method which is characterized in that the fiber strands compacted according to the invention are additionally coated with mineral powders or metal powders at temperatures above the melting point of the coating polymer, or with plastic, optionally in a mixture with mineral powders , post-coated and then hardened or solidified.
  • the present invention also relates to the use of the fiber strands compacted according to the invention, or a plurality of such fiber strands in a composite, for the production of saw threads which are suitable, for example, for the production of electronic molded parts, preferably wafers, chips and related molded parts, and for the production of Tapes and prepregs, from fiber-reinforced synthetic granulate and fiber-reinforced molded parts or fiber-reinforced pultruded or extruded profiles. This also includes fabrics that are woven from coated rovings and, if necessary, subsequently pressed. Tapes also include continuous fiber reinforced tapes. Prepregs include unidirectional and fabric reinforced prepregs.
  • the present invention also relates to the threads, saw threads, tapes, prepregs, fiber-reinforced plastic granules, fiber-reinforced molded parts, fiber-reinforced pultruded or extruded profiles produced in this way. Furthermore, the present invention relates to a device for carrying out the method according to the invention.
  • coated individual continuous fibers or individual fiber strands in the composite can have been coated in the melt coating process, in the wet coating process and / or in the dry coating process, preferably in the dry coating process.
  • Densification of the individual continuous fibers, or the individual fiber strands in the composite is carried out in such a way that, after the coating process, the coated, individual continuous fibers, or individual fiber strands in the composite, by at least one rotating device, preferably one device which works simultaneously calibrated and compressed, such as, for example, a rotating calibration nozzle, whereby these continuous fibers or the individual fiber strands in the composite are compacted during the passage, or are simultaneously both calibrated and compressed by the rotating calibration nozzle.
  • a suitable rotating device can, for example, consist of there are two cooled shafts provided with V-grooves, which are arranged one behind the other at an angle of less than 90 ° ( ⁇ 90 °), preferably at an angle in the range from 5 ° to 20 °.
  • the first shaft is preferably arranged at an angle above or below 90 ° to the thread direction, preferably at an angle of at least 91 ° or 89 ° (> 1 °), preferably at an angle in the range from 60 ° to 120 °.
  • the second grooved shaft is arranged at right angles to the thread running direction.
  • the coated roving runs, for example, over the first shaft and under the second shaft, that is to say the rovings are carried out via the first shaft and then under the second shaft in their V-grooves.
  • the first shaft rotates to the left and the second shaft to the right.
  • the V-groove of the first shaft is laterally offset in the thread axis by at least 1 mm, preferably by 5 mm, so that the thread runs laterally over the oblique flanks of the first shaft.
  • the thread is pressed against the V-flanks by the angular arrangement of the shafts and the offset of the grooves and twisted by the component acting perpendicular to the thread axis, so that the thread turns to the right or left.
  • the number of turns (given as turns per meter) is primarily determined by the angular opening of the 1st elle.
  • the rotation of the grooved shafts is achieved by friction with the coated fiber strands or additionally by an external drive.
  • the number of turns per meter depends on the product and is determined by optimizing the angular arrangement and the friction of the coated thread strand in the V-grooves, which is not a problem for the person skilled in the art.
  • the torsion shafts are preferably fitted after the first or, if appropriate, after a further continuous furnace. brings or installed.
  • the rotation acts evenly, as already described above, retrospectively over the entire length of the fiber strand or fiber strands to the place where the fiber strand leaves the coating device, or for the present example, the first torsion shafts.
  • the twists dissolve again and result in the thread according to the invention with essentially parallel fibers which have no or only a few twists per meter.
  • a calibration nozzle it rotates at such a high speed that the individual continuous fibers or the individual fiber strands in the composite are compressed and also calibrated. During calibration, all excess coating material, which forms as a melt cone at the nozzle outlet, is thrown away. The diameter of the calibration nozzle is set so that the desired thread diameter is obtained. As already mentioned, the threads are rotated retrospectively along the thread in the direction of the coating device by the rotating calibration nozzle. After passing through the rotating calibration nozzle, the forward rotations no longer exist or only partially, so that the threads (filaments) have no or only a defined small number of spiral turns per meter after passing through the rotating calibration nozzle.
  • the rotating nozzle is preferably mounted or fixed in a hollow shaft and rotates together with this hollow shaft at a suitable speed, usually at least 500 revolutions per minute (rpm), preferably at least 2000 rpm, preferably at least 7000 rpm, and preferably at about 10,000 rpm. Prefers is a range from 7000 rpm to 15000 rpm.
  • the nozzle preferably made of hard metal, is preferably heated to at least the melting temperature of the fiber coating, ie generally to at least about 100 ° C. and preferably to about 150-180 ° C.
  • the polymer coating of the fiber must be fluid as it passes through the rotating device, i.e. be heated to a temperature which is generally at least 100 ° C., and preferably at least about 150-200 ° C. or about 50 ° C. above the melting point of the polymer. This heating can take place, for example, by means of IR radiation or hot air.
  • the series-connected calibration nozzles preferably have a decreasing internal (calibration) diameter.
  • the rotating calibration nozzle preferably has an inner diameter in the range of approximately 100-2000 ⁇ m (micrometers, microns), preferably in the range of approximately 150-600 ⁇ m and in particular in the range of approximately 200-35-0 ⁇ m, for example approximately 200-240 ⁇ m, which makes a device according to the invention produced calibrated and compressed, or homogenized and compressed, strand with a corresponding diameter is obtained.
  • the average linear deviation from the nominal value of the diameter on the hardened thread is generally less than 6%, and preferably less than 4%, and is likewise in the micron range, which results in a very high degree of rounding.
  • the rotating device exerts a local torque on the fiber as it passes through.
  • the rotating device is set so that the fiber strand locally, for example depending on the rotational speed of the calibration nozzle, has about 5 to 50 spiral revolutions per meter in front of the rotating device, preferably about 10 to 30 spiral revolutions per meter, preferably about 10 to 20 revolutions per meter. After leaving the rotating device, this local, comparatively high number of revolutions per meter no longer exists, so that a fiber strand results from essentially parallel and straight aligned continuous fibers. This means that the fiber strand preferably still has about 3 to 10 revolutions per meter and preferably still about 2 to 5 revolutions per meter. If a fiber strand has been coated, in which the individual continuous fibers are arranged in parallel form, the mutually parallel guidance of the individual threads essentially remains in the compressed, preferably in the calibrated and compressed, fiber strand.
  • the calibrated and compressed fiber strands or thin threads can additionally be processed further in a manner known per se, for example into thicker and stronger threads.
  • all fibers known per se which are known for the production of fiber-reinforced materials, can be used as fibers from which the fiber strands are formed.
  • synthetic inorganic fibers in particular glass fibers, C fibers, plastic fibers, in particular aramid fibers (aro a- table polyamide), cylon fibers (PBO) 28 dtex (0.028 gr / m), or natural fibers, especially cellulose fibers.
  • the filament thickness is preferably about 5 ⁇ m to 20 ⁇ m and about 100 tex-4800 tex (0.1 g / m-4.8 g / m), preferably 600 tex-2400 tex, as is usually used.
  • known plastics as a compound or as a premix
  • thermosetting molding compositions known per se preferably as a premix
  • Thermoplastic molding compositions or plastics and their additives are known in large numbers from the literature.
  • Synthetic thermoplastic polymers are preferably selected from the group of polyolefins, preferably polyethylene, in particular HDPE, or polypropylene (PP); polycarbonates; Polyoxymethylene (POM); Polyethylene terephthalates (PET); Polybutylene terephthalate (PBT); Polyethylene sulfide (PES); Polyphenylene oxides (PPO); Polyphenylene sulfide (PPS); PSO; PVDS; thermoplastic polycondensates plastischee, preferably polyesters and polyamides such as polyamide 66, polyamide '12, including / polyvinyl acetates; polystyrenes; Polyacrylic acid esters; polymethacrylic; Alkylene / acrylic acid copolymers or alkylene / methacrylic acid copolymers, preferably ethylene / acrylic acid copolymers; PEEK and PEK, alkylene / maleic anhydride copolymers; or alkylene / vinyl alcohol copolymers
  • HDPE, PP, polycarbonates, POM, PET, PBT, PES, PEEK, PEAK, PPO, PPS, PSO, PVDS, and thermoplastic polyamides are preferred.
  • Synthetic polymers with a softening point of 100 ° C. or higher are preferred, preferably in the range from 140 ° C. to 390 ° C. and particularly in the range from 150 ° C. to 350 ° C.
  • Thermosetting plastics in the form of polycondensates are, for example, curable phenol / formaldehyde plastics (PF casting resins), curable bisphenol resins, curable urea f / - formaldehyde plastics (UF molding compounds), polyimides (PI), BMI molding compounds and polybenzimidazoles (PBI).
  • Thermosetting plastics in the form of polyadducts are, for example, epoxy resins (EP), molding compounds made from unsaturated polyester resins (UP molding compounds), DAP resins (polydiallyl phthalate), MF molding compounds, for example curable melamine / phenol / formaldehyde molding compounds, or crosslinked polyurethanes (PUR) ,
  • thermosets release agents, lubricants, fillers, pigments, adhesion promoters, stabilizers and inhibitors
  • additives for thermoplastic molding compositions or plastics and for thermosetting plastics in the form of polycondensates or polyadducts for example, additives for thermoplastic molding compositions or plastics and for thermosetting plastics in the form of polycondensates or polyadducts.
  • Such compounds are known per se, as are the preferred compositions to be used for the coatings according to the present invention.
  • plastics mentioned can be applied to the fiber strands in the melting process or directly from the melt or in the wet process, that is to say dissolved in a suitable solvent, or in the dry coating process as described at the beginning as a coating using a suitable apparatus known per se.
  • suitable apparatus known per se.
  • the plastics mentioned and the mentioned coating processes can be used independently.
  • the plastic can additionally be used in a mixture with mineral or metallic, preferably crystalline, compounds and serve as binders for the mineral substances.
  • Such a re-coating is particularly necessary for the production of saw threads.
  • mineral substances are preferably crystalline, compounds, preferably inorganic compounds, preferably oxides, carbides, metal powders, preferably in powder form.
  • inorganic compounds, such as oxides, carbides, preferably in powder form, such as magnesium oxide, aluminum oxide, silicon carbide, or other substances of great hardness, such as crystalline carbon, are preferred
  • Diamonds especially industrial diamonds, preferably in the form of diamond powder.
  • the grain size of the powder is preferably in the range of approximately 5 ⁇ m-300 ⁇ m (micron), preferably in the range of approximately 10 ⁇ m-100 ⁇ m and in particular in the range of approximately 10 ⁇ m-30 ⁇ m.
  • Synthetic polymers with a softening point of 100 ° C. or higher, preferably in the range from 140 ° C. to 390 ° C. and particularly in the range from 150 ° C. to 350 ° C., are preferred for the post-coating, the same process temperatures being used as these for the coating device are described herein.
  • FIG. 1 illustrates a diagram of a device for the coating and post-coating of a fiber strand according to the invention, comprising three rotating calibration nozzles connected in series, which, for example, calibrate the thread first to 300 ⁇ m, then to 260 ⁇ m, and then to 240 ⁇ m and then compact it.
  • FIG. 2 shows a turning device containing two cooled shafts provided with V-grooves, which are arranged one behind the other at an angle of less than 90 °.
  • FIG. 2a shows a rotating calibration device containing the rotating calibration nozzle in cross section.
  • FIG. 3 and FIG. 3A show a rotating calibration nozzle with a shear part, consisting of a cone for the melt cone A, the centering hole B, the transverse hole D, the flat channel C, the bearings E and F, and the ring gear G.
  • a shear part consisting of a cone for the melt cone A, the centering hole B, the transverse hole D, the flat channel C, the bearings E and F, and the ring gear G.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the calibration nozzle, analogous to that shown in FIGS. 3 and 3A, but the flat channel B is narrower than the channel designated as calibration bore C.
  • the device (1) shown in the appendix as FIG. 1 consists of an unwinding device (2), the coating device (3), the IR ovens (4), the post-coating device (5), the rotating devices (6) according to FIG 2 or 2a, the rotating device (6) preferably representing a rotating device according to FIG. 2a, the conditioning device (9) and the winding unit (10).
  • the first rotating device is installed directly after the coating device (3). Further rotating devices or calibration devices are then attached to the first IR oven (4).
  • the grain size distribution of the coating component or the coating components in the dry coating is preferably in the range from 30 ⁇ m to 250 ⁇ m, preferably in the range from 50 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the average grain size is mainly around 50 ⁇ m-150 ⁇ m.
  • a reactive resin such as, for example, an epoxy resin
  • a roller temperature of 10 ° C-200 is preferably used ° C, preferably 20 ° C-50 ° C
  • a thread speed of 3-200 meters per minute preferably 50-150 meters per minute.
  • the fiber strands are unwound from a roving frame, preferably from the outside of the roll, and fed into the coating unit, where they are preferably fanned out and pass through the fluidized bed.
  • the fluidized bed bath basically comprises a tub and contains the feed for the coating component or coating components, as well as the fluid base, which preferably consists of sintered aluminum or ceramic and through which the supply air to the fluidizing basin, that is, the fluidizing air to maintain the fluidized bed , is initiated.
  • the diameter of the perforations in the perforated intermediate bottom (fluid base) is smaller than the grain size of the coating powder used or the Beschich processing components' or granules.
  • Air or an inert gas is blown in from below through the perforations, so that a flowing powder or granulate bath or a fluidized bed is created.
  • the temperature of the supply air to the fluidizing basin i.e. the conditioning of the fluidizing air
  • the temperature of the supply air to the fluidizing basin is controlled in proportion to the melting point of the polymer powder. So that can the amount of powder applied can be controlled.
  • a fluid base made of sintered aluminum or ceramic is preferably used.
  • the conditioning of the fluidizing air makes it possible to preheat thermoplastic powder with a high melting point to below the softening temperature during coating and thus to reduce the heating-up time required.
  • the productivity of thermoplastics with a high melting point can be increased considerably. In the case of reactive resin mixtures, however, the heating during conditioning may only take place below the temperature (on-set temperature) at which the exothermic curing process of these resin mixtures begins.
  • the rotating device according to FIG. 2a is a rotating calibration device, containing a rotating calibration nozzle (7) made of hard metal, through which the continuous fibers are both calibrated and compressed during the passage.
  • the calibration nozzle (7) is fixed in a hollow shaft and rotates together with this hollow shaft.
  • the rotating hollow shaft can be driven by a known electric drive or compressed air drive.
  • the calibration nozzles can also be integrated in gearwheels, the individual gearwheels meshing and driving in line.
  • the construction of the calibration device or calibration nozzle shown in FIG. 2a is only one of the possible embodiments.
  • the coated fiber strands are connected to the first rotating device or calibration device (6) passed through an IR oven (4) or a continuous oven, where they are heated.
  • the continuous furnace preferably contains an infra-red heater.
  • the coating becomes slightly liquid or pasty, but not so liquid that it can drip off the fibers.
  • further coating material or granules can be applied in a further coating device (5), if necessary by means of a post-coating, which consists of inorganic powder or of inorganic powder mixed with organic polymer, or of organic polymer, as described above.
  • a post-coating which consists of inorganic powder or of inorganic powder mixed with organic polymer, or of organic polymer, as described above.
  • the coated, heated thread can also be passed through fluidized mineral or metal powder, this powder being carried along by the softened coating polymer.
  • the temperature and the residence time determine the layer thickness of the applied material. It can then be treated in another IR oven. In this way, the desired amount of plastic and / or inorganic material to be applied to the fibers can be supplemented. In this way, thread weights with a very low glass content, for example threads with only 15% by weight> glass fiber content, can be obtained.
  • the re-coating can also serve as insulation.
  • the fiber strands After the fiber strands have been coated, calibrated and compressed and optionally post-coated, they are then passed through a conditioning device (9) which consists of a cooling device and, if appropriate, a heating device. If an epoxy resin mixture was applied as the coating, the fiber strands are optionally reheated, the epoxy resin mixture being pre-gelled or pre-crosslinked, but not cured. The main reason why cooling is necessary is because the fiber / plastic composite is then pulled through a pair of rollers that transports this composite.
  • a conditioning device 9 which consists of a cooling device and, if appropriate, a heating device. If an epoxy resin mixture was applied as the coating, the fiber strands are optionally reheated, the epoxy resin mixture being pre-gelled or pre-crosslinked, but not cured. The main reason why cooling is necessary is because the fiber / plastic composite is then pulled through a pair of rollers that transports this composite.
  • the fiber / plastic composite At the location of the pair of rollers, the fiber / plastic composite must have a solid state, since otherwise the plastic can adhere to the rollers of the pair of rollers, as a result of which they would become dirty and, under certain circumstances, would prevent reliable transport of the fiber / plastic composite.
  • the fiber / plastic composite preferably passes through a heating device in which the necessary for the granulation or winding
  • the coated fiber strand obtained can then be wound up or granulated.
  • the apparatus preferably has the following structure:
  • Coil creel — ⁇ coating bath — ⁇ IR oven — ⁇ rotating / calibrating device — ⁇ pultrusion tool — ⁇ profile extractor.
  • the present invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention, comprising at least one coating device (3) for coating the fiber strand or the fiber strands in the
  • At least one IR oven (4) as a continuous device (for the wet and in the dry coating process) for fixing the coating, optionally a post-coating device (5), optionally connected to a further IR Oven (4), and at least one conditioning device (9), consisting of a cooling device and optionally a heating device for the final Conditioning of the coated thread, characterized in that at least one turning device according to the invention, preferably a calibration device, adjoins the coating device (3), but before the conditioning device (9) and before any post-coating device (5) that may be present (6), are installed, with the rotating device or calibration device (6) the coated individual continuous threads, from which the respective fiber strand is formed or the fiber strand, or several such fiber strands in the composite, immediately after leaving the coating device ( 3) compacted or compacted and calibrated and form a compact closed strand.
  • at least one turning device according to the invention preferably a calibration device, adjoins the coating device (3), but before the conditioning device (9) and before any post-coating device (5)
  • PBO roving containing 160 filaments with a filament diameter of 0.005 mm, 0.012 mm and 0.014 mm (5um, 12 ⁇ m and 14 ⁇ m) are coated in a dry coating process with a matrix which contains a common bisphenol resin (araldite (f ⁇ )) and hardener ( Durez®) from Huntsmann and Durez, (50.0 ?. of the entire coating) as well as common release agents, lubricants, fillers and
  • Pigments contained in the usual composition.
  • the components of the matrix are mixed in a mixer and have a grain size distribution in the range from 30 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the coating process is carried out on an apparatus described above in the description, a coating unit described in EP-A-0 680 813 being used.
  • a calibration device containing a rotating nozzle mounted in a hollow tube for continuous are simultaneously installed calibration and compression of the fiber strands.
  • This calibration device corresponds to the device shown in FIG. 2a.
  • the nozzle has an inner diameter of 300 ⁇ m.
  • a second and a third such calibration device, each with a nozzle diameter of 260 ⁇ m and 240 ⁇ m, are then attached in series to the continuous IR furnace.
  • the glass rovings are unwound from a roving frame, preferably from the outside, fanned out and guided through the fluidized bed via four deflecting rods.
  • the coated rovings then pass through a calibration device, then through the infra-red continuous furnace at a temperature of 180 ° C and then through the two further rotating calibration devices connected in series.
  • the coated rovings are then conditioned and cooled in the conditioning unit so that the plastic becomes firm.
  • Coated rovings with a diameter of 240 ⁇ m and a deviation of the diameter along the length of the thread of less than 0.5% were obtained. There was practically no smoke development from decomposed coating material in the continuous furnace and in the conditioning unit.
  • the thread speed (throughput) was 140 meters per minute.
  • Example 1 is repeated with the proviso that instead of the calibration devices according to FIG. 2a, (i) only one turning device according to FIG. 2, and (ii) first a turning device according to FIG. 2 and then a calibration device Device according to Figure 2a can be installed. Good results as in Example 1 are obtained here too.
  • Example 3 (comparative example) Example 1 is repeated with the proviso that the calibration device (6) is not installed. Coated rovings with a diameter of approximately 300 ⁇ m and a deviation on the length of the thread of 15% were obtained. A smoke development from decomposed coating material in the continuous furnace and in the conditioning unit could be determined. The thread speed (throughput) was 80 meters per minute.
  • Example 4 Example 1 is repeated with the proviso that the bisphenol resin and the hardener as well as the additives are replaced by a PEEK-HT (Vitrex ⁇ , from Victrex.) With a melting point of 370 ° C. Results similar to those given in Example 1 are obtained.
  • PEEK-HT Victrex ⁇ , from Victrex.
  • Example 1 is repeated with the proviso that the bisphenol resin and the hardener as well as the additives are replaced by a thermoplastic polyamide 11 powder with a melting point of 180 ° C. Results similar to those given in Example 1 are obtained.

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Herstellen von verdichteten, mit Kunststoff beschichteten, Fasern bzw. Fasersträngen, bestehend aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, ausgehend von Fasersträngen bestehend aus mit Kunststoff beschichteten Endlosfasern, dadurch gekennzeichnet, dass man Faserstränge, oder mehrere solche Faserstränge im Verbund, bestehend aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, auf welchen sich der, gegebenenfalls als Pulver, aufgetragene Kunststoff in geschmolzenem bzw. flüssigem Zustand befindet, anschliessend an die Beschichtung durch eine Drehvorrichtung (6) führt, mit welcher eine örtliche Drehung auf die Fasern ausgeübt wird. Zusätzlich werden die Verwendung der erfindungsgemäss hergestellten einzelnen Endlosfasern für die Herstellung von Sägefäden, sowie für die Herstellung von Tapes und Prepregs, von faserverstärkten Kunststoffgranulaten und faserverstärkten Formteilen oder von faserverstärkten pultrudierten oder extrudierten Profilen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens offenbart.

Description

Verfahren zum Herstellen von verdichteten, mit Kunststoff beschichteten, Fasersträngen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her- stellen von verdichteten, mit Kunststoff beschichteten, Fasern bzw. Fasersträngen, bestehend aus im wesentlichen unidirektionalen parallel ausgerichteten Endlosfasern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von kalibrierten und verdichteten dünnen Fäden oder Tapes, welche aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern bestehen und welche beispielsweise für die Herstellung von kalibrierten dünnen Fäden, insbesondere Sägefäden für das Zuschneiden von präzisen Werkstücken in der Elektronikindustrie, oder für die Herstellung von Tapes und Prepregs, von faserverstärkten
Kunststoffgranulaten, von faserverstärkten Formteilen sowie im Strangziehen Verwendung finden.
Die Herstellung von mit Kunststoff beschichteten Fasern, und Fasersträngen (Rovings) , welche vorzugsweise aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, auch in Form von Tapes oder Prepregs, bestehen, ist an sich bekannt. Dabei werden üblicherweise Faserstränge, welche aus Endlosfasern bestehen, mit einem Kunststoff, oder einem Gemisch von Kunststo fen, welche diverse Zusatzstoffe enthalten können, beschichtet und in weiteren Verarbeitungsstufen, je nach Verwendungszweck, zu Fäden, zu Granulaten, zu faserverstärkten Formteilen oder zu pultrudierten oder extrudierten Profilen verarbeitet.
So ist es bekannt, im Schmelzbeschichtungsverfahren zu beschichtende Faserstränge durch die Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs zu führen, anschliessend abkühlen zu lassen, und dann weiter zu verarbeiten. In der praktischen Anwendung dieses Verfahrens, insbesondere bei hohem Faseranteil und zunehmender Faserlänge, werden aber eine hohe Streuung der Festigkeitswerte und zahlreiche örtliche Schwachstellen am Formteil festgestellt. Durch die hohen Scherkräfte, wie solche bei der Schmelzenimprägnierung auftreten, werden feine Fila ente, z.B. von Kohlenstofffasern, gebrochen und es kommt zu Filamentschaden oder Fadenrissen im Prozess. Ähnlich verhält es sich in der Anwendung von Nassbeschichtungsverfahren, d.h. eines flüssigen Imprägnierbades, in welchem der Kunststoff in einem Lösungsmittel gelöst ist, wobei in diesem Fall noch die mit dem Abdampfen des Lösungsmittels verbundenen Schwierigkeiten hinzu kommen.
Im Trockenbeschichtungsverfahren, werden die zu beschichtenden Faserstränge vorzugsweise durch eine Wirbelschicht bewegt. Diese Wirbelschicht besteht in der Regel aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet (compoundiert) sind, oder aus einem duroplastisch härtbaren Kunststoffpulver oder Kunst- stoffpulver-Pre ix, wobei dieses als BeSchichtung auf die Fasern aufzieht. Es ist auch möglich, die einzelnen Komponenten der Beschichtung im Wirbelschichtverfahren, direkt auf die Faser in der gewünschten Zusammensetzung gleichmässig aufzubringen, wobei man gegebenenfalls die einzelnen in der Wirbelschicht sich befindenden Beschich- tungskomponenten zusätzlich in der Wirbelschicht mischt, so dass eine Entmischung der einzelnen Komponenten praktisch verhindert wird. Anschliessend werden die beschichteten Fasern vorzugsweise in einem Durchlaufofen, beispielsweise mittels IR-Strahlung, zumindest teilweise aufgeschmolzen und dann wieder abgekühlt. Derart wird eine verbesserte Verteilung des Kunststoffs auf der Faser er- reicht. Dieses Trockenbeschichtungsverfahren hat jedoch den Nachteil, dass ein Teil des zur Beschichtung verwendeten Pulvers nach dem Austritt aus der Beschichtungseinheit von der Faser wieder abfällt, wodurch der Pulverauftrag und damit der Harzanteil und/oder der Füllstoffanteil im Endprodukt eingeschränkt wird, was die Qualität des Endprodukts beeinträchtigt. Das Beschichtungspulver fällt aber auch noch im Durchlaufofen ab und zersetzt sich im Kontakt mit der überhitzten Ofenoberfläche, so dass Zer- Setzungsprodukte entstehen, welche über die Abluft in die Entlüftungsanlage und die Umwelt gelangen. Zudem gelangen diese Teilchen als Staub und als Zersetzungsprodukte auch in andere Teile der Produktionsanlage, insbesondere in die Filter der Entlüftungsanlage, und verschliessen dort die Filter der Entlüftungsanlage. Dies wiederum führt zu Ungleichgewichten in der Betriebsführung und den Betriebsbedingungen, was die Qualität der beschichteten Faserstränge negativ beeinflusst.
In allen Fällen der genannten Beschichtungsverfahren ergeben sich in der praktischen Anwendung, insbesondere bei hohem Faseranteil, eine hohe Streuung der Festigkeitswerte und zahlreiche örtliche Schwachstellen am gebildeten Faden und damit auch am Formteil. Insbesondere ergeben sich auch örtliche Unterschiede im Fadendurchmesser, sowie in der Rundung bzw. im Rundungsgrad der Faser und in deren Belegung mit Kunststoff, was in der Folge die genannten Nachteile verursacht. Es besteht daher das Bedürfnis, diese Nachteile zu verringern oder gänzlich zu beheben.
Für die Herstellung von dünnen Fäden, insbesondere von Sägefäden für die Elektronik-Industrie zum Schneiden von präzisen Formteilen, beispielsweise von Formteilen, welche aus Siliziumkarbid bestehen, oder von Wafers, Chips, und verwandten Formteilen oder in der Herstellung von Sonnenkollektoren, ist es im weiteren nötig, dass diese Fäden sowohl möglichst dünn sowie auch sehr präzis, d.h. im gleichen Durchmesser entlang ihrer gesamten Länge, gear- beitet sind, wobei der Durchmesser dieser Fäden im Mikronbereich liegt, vorzugsweise im Bereich von 100-1000 Mikron (μm) , und die Schwankungsbreite der linearen Abweichung des Durchmessers vom Sollwert innerhalb von nur wenigen Mikron liegen soll. In diesem Sinne ist eine sehr genaue Kalibrierung der Fäden notwendig, das heisst, dass man sowohl den Durchmesser als auch die Rundung des Fadens entlang der gesamten Fadenlänge innerhalb der vorgegebenen Masse genau einstellt und kontrolliert.
Für die Beschichtung von Fasersträngen, insbesondere in der Pulverbeschichtung, werden, auch in der vorliegenden Erfindung, vorzugsweise lineare unidirektionale Faserstränge bzw. Rovings, verwendet, das sind Faserstränge bzw. Rovings, worin die Endlosfäden im wesentlichen paral- lel, und im wesentlichen gerade bzw. plan-parallel, angeordnet sind. Diese Rovings lassen sich im Beschichtungs- vorgang leichter auffächern und damit gleichmässiger beschichten.
Es wurde nun gefunden, dass man dünne mit Kunststoff beschichtete Endlosfäden (bestehend aus einer Vielzahl einzelner Endlosfasern), bzw. solche mit Kunststoff beschichtete Fasern oder Faserstränge, bestehend aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, erhält, wenn man die Faserstränge, auf welchen sich der, gegebenenfalls als Pulver aufgetragene, Kunststoff in geschmolzenem bzw. flüssigem Zustand befindet, anschliessend an die Beschichtung durch eine Drehvorrichtung führt, mit welcher eine örtliche Drehung auf die Fasern ausgeübt wird. Durch eine solche örtliche hohe Drehung werden die Fasern in hohem Masse verdichtet. Dabei werden die Fäden im Verfahren von der Drehvorrichtung ausgehend entlang der einzelnen Fäden rückwärts in Richtung der Beschichtungsvorrichtung mit- einander verdreht. Nach dem Durchlaufen der 'Drehvorrichtung bestehen die Drehungen aber nicht mehr oder nur noch in geringem Masse, so dass die Endlosfasern nach dem Durchlaufen der Drehvorrichtung keine oder nur eine geringe Anzahl spiralförmiger Umdrehungen pro Meter aufweisen, im wesentlichen aber parallel, linear und gerade angeordnet sind. Solche Fäden können anschliessend weiter bearbeitet werden, beispielsweise zusätzlich mit einem geeigneten Kunststoff und/oder gegebenenfalls mit mineralischem Korn beschichtet und anschliessend ausgehärtet werden.
Eine besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Drehvorrichtung aus einer rotierenden Kalibrierdüse besteht. Durch die erfindungsgemässe rotierende Kalibrierdüse wird der Faserverbund zusätzlich kalibriert und besonders stark homogenisiert, gleichzeitig verdichtet wobei die eingeschlossenen Gase aus dem Verbund hinaus gedrängt werden. Es entstehen kalibrierte Faserstränge, welche im Durchmesser entlang ihrer gesamten Länge genau gearbeitet sind und nur eine geringe lineare Abweichung in der gewünschten Durchmesserlä ge und somit einen hohen Rundungsgrad aufweisen, und zudem sehr kompakt bzw. verdichtet sind.
Derart werden vorzügliche Sägefäden oder beschichtete Faserstränge erhalten, welche genau im Durchmesser, bzw. im Rundungsgrad, entlang ihrer gesamten Länge gearbeitet sind, wobei die Schwankungsbreite der linearen Abweichung des Durchmessers vom Sollwert gering ist. Diese Sägefäden sind insbesondere für die Herstellung von elektronischen Formteilen, wie Wafers, Chips und verwandte Formteile, geeignet .
Zusätzlich ergeben sich die Vorteile, dass sich das wäh- rend der Beschichtung auf die Endlosfasern aufgebrachte Material im Faserstrang durch die Wirkung der Drehvorrichtung besser verteilt. Derart fällt beim Eintritt in den Durchlaufofen kein oder nur sehr wenig Material von der beschichteten Faser ab. Dadurch werden Materialverluste vermindert, der Materialverbrauch optimiert und die Umwelt geschont, was insbesondere beim' Erhitzen bzw. beim Härten der Beschichtungsmaterialien zur Wirkung kommt.
Verwendet man eine rotierende Kalibrierdüse, so wird ein allfälliger Schmelzenkegel durch die rotierende Kalibrierdüse an deren Düsenrand weg geschleudert und legt sich nicht tropfenweise auf dem Faden ab. Gemäss der Konstruktion einer Kalibrierdüse, wie dies im weiteren in Figur 2a gezeigt ist, wird ein allfälliger Schmelzenkegel am Düsen- austritt weg geschleudert. Es entsteht ein kalibrierter Faden hoher Dichte und frei von Lufteinschlüssen.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann der Füllstoffanteil im Beschichtungspremix deutlich erhöht werden, so dass Produkte mit geringerem Faseranteil und höherem Füllstoffanteil hergestellt werden können. Auch die Schüttdichte und die Rieselfähigkeit eines aus solchen erfindungsgemass verdichteten Fäden hergestellten Granulats wird deutlich erhöht und die Flausenbildung bei der Granulierung erheblich vermindert.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird auch die Reissfestigkeit der beschichteten Faserstränge im Herstellungsverfahren selbst überraschend stark erhöht und kann ohne weiteres verdoppelt werden. Fadenbrüche im Verfahren, insbesondere auch im Bereich zwischen der Beschichtungsvor- richtung und der Dreheinheit, werden derart auch bei hoher Fadenspannung weitgehendst vermieden.
Diese unerwarteten Vorteile erlauben es, das gesamte Verfahren unter bedeutend erhöhter Fadenspannung durchzuführen, was wiederum eine ausgeglichenere Prozessführung und eine erhöhte Produktivität der Produktionsanlage erlaubt. Überraschenderweise bleiben in der Trockenbeschichtung, als Folge der durch die Drehvorrichtung erzeugten örtlichen Drehwirkung, auch relativ grobe Pulverpartikel mit einer Korngrösse von bis zu 300μm im Verbund eingeschlossen, so dass auf eine unwirtschaftliche Feinstmahlung der Polymere mit engem Korngrössenspektrum verzichtet werden kann.
Die Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Her- stellen von verdichteten, mit Kunststoff beschichteten, Fasern bzw. Fasersträngen, bestehend aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, ausgehend von Fasersträngen bestehend aus mit Kunststoff beschichteten Endlosfasern, dadurch gekennzeichnet, dass man Faserstränge, oder mehrere solche Faserstränge im Verbund, bestehend aus im ^ wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, auf welchen sich der, gegebenenfalls als Pulver, aufgetragene Kunststoff in geschmolzenem bzw. flüssigem Zustand befindet, anschliessend an die Beschichtung durch eine Drehvor- richtung führt, mit welcher eine örtliche Drehung auf die Fasern ausgeübt wird, so dass die einzelnen Fäden im Verfahren, von der Drehvorrichtung ausgehend entlang der Fäden rückwärts in Richtung der Beschichtungsvorrichtung, in Form von Drehungen miteinander verdreht werden, wobei jedoch nach dem Durchlaufen der Drehvorrichtung die Drehungen nicht mehr oder nur noch in geringem Masse bestehen, so dass die Endlosfasern nach dem Durchlaufen der Drehvorrichtung keine oder nur eine geringe Anzahl spiral- förmiger Umdrehungen pro Meter aufweisen, im wesentlichen aber parallel und linear, bzw. gerade, angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft auch eine besondere Ausführungsform zum Herstellen von verdichteten, mit Kunststoff beschichte- ten, Fasern bzw. Fasersträngen, bestehend aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehvorrichtung aus einer rotierenden Kalibrierdüse besteht, wobei kalibrierte und verdichtete Fäden erhalten werden.
Der derart behandelte Faserstrang oder mehrere solcher Faserstränge im Verbund können einer weiteren Beschichtung bzw. Nachbeschichtung unterzogen werden. In diesem Sinne betrifft die Erfindung auch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man die erfindungsgemass verdichteten Faserstränge in einer Nachbeschichtung zusätzlich mit mineralischen Pulvern oder Metallpulvern bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Beschichtungspolymers, oder mit Kunststoff, gegebenenfalls im Gemisch mit minera- lischen Pulvern, nachbeschichtet und anschliessend aushärtet oder erstarren lässt.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemass verdichteten Faserstränge, oder mehrere solcher Faserstränge im Verbund, für die Herstellung von Sägefäden, welche z.B. für die Herstellung von elektronischen Formteilen, vorzugsweise Wafers, Chips und verwandten Formteilen, geeignet sind, sowie für die Herstellung von Tapes und Prepregs, von faserverstärkten Kunst- stoffgranulaten und faserverstärkten Formteilen oder von faserverstärkten pultrudierten oder extrudierten Profilen. Darin eingeschlossen sind auch Gewebe, welche aus beschichteten Rovings gewoben und gegebenenfalls anschliessend ver- presst werden. Tapes umfassen auch endlos hergestellte faserverstärkte Tapes. Prepregs umfassen unidirektionale und gewebeverstärkte Prepregs.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die derart herge- stellten Fäden, Sägefäden, Tapes, Prepregs, faserverstärkten Kunststoffgranulate, faserverstärkten Formteile, faserverstärkten pultrudierten oder extrudierten Profile. Im weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die genannten beschichteten einzelnen Endlosfasern, bzw. einzelnen Faserstränge im Verbund, können im Schmelzbe- schichtungsverfahren, im Nassbeschichtungsverfahren und/- oder im Trockenbeschichtungsverfahren beschichtet worden sein, vorzugsweise im Trockenbeschichtungsverfahren. Die
Verdichtung der einzelnen Endlosfasern, bzw. der einzelnen Faserstränge im Verbund, führt man so durch, dass man, anschliessend an den Beschichtungsvorgang, die beschichteten, einzelnen Endlosfasern, bzw. einzelnen Faserstränge im Verbund, durch mindestens eine Drehvorrichtung, vorzugsweise eine Vorrichtung, welche gleichzeitig kalibriert und verdichtet, wie beispielsweise eine rotierende Kalibrierdüse, führt, wodurch diese Endlosfasern bzw. die einzelnen Faserstränge im Verbund beim Durchlauf verdichtet, bzw. durch die rotierende Kalibrierdüse gleichzeitig sowohl kalibriert als auch verdichtet werden.
Eine geeignete Drehvorrichtung, wie in Figur 1 angedeutet und in Figur 2 genauer angegeben, kann beispielsweise aus zwei gekühlten, mit V-Nuten versehenen Wellen bestehen, welche im Winkel von weniger als 90° (<90°), vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 5° bis 20°, hinter einander angeordnet sind. Vorzugsweise ist die 1. Welle mit einem Winkel über oder unter 90° zur Fadenrichtung angeordnet vorzugsweise in einem Winkel von mindestens 91° bzw. 89°(>1°), vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 60° bis 120°. Die zweite Nutwelle ist rechtwinklig zur Fadenlaufrichtung angeordnet. Der beschichtete Roving läuft beispielsweise über die erste Welle und unter der zweite Welle durch, das heisst die Rovings werden über die erste Welle und anschliessend unter der zweiten Welle jeweils in deren V-Nute durchgeführt. In diesem Fall rotiert die erste Welle nach links und die zweite Welle nach rechts. Dabei ist die V-Nute der ersten Welle in der Fadenachse um mindestens 1 mm, vorzugsweise um 5 mm seitlich versetzt, so dass der Faden seitlich über die Schrägflanken der ersten Welle läuft. Der Faden wird durch die Winkel- anordung der Wellen und durch den Versatz der Nuten an die V-Flanken gedrückt und durch die senkrecht zur Fadenachse wirkende Komponente verdreht, so dass eine Rechts- bzw. Linksdrehung des Fadens resultiert. Die Anzahl der Drehungen (angegeben als Drehungen pro Meter) wird primär durch die Winkelöffnung der 1. elle bestimmt. Die Rotation der Nutwellen wird durch die Reibung mit den beschichteten Fasersträngen oder zusätzlich durch Fremdantrieb erreicht. Die Anzahl der Drehungen pro Meter ist produktabhängig und wird durch Optimierung der Winkelanordnung und der Reibung des beschichteten Fadenstrangs in den V-Nuten bestimmt, was für den Fachmann kein Problem darstellt.
Die Verdrehwellen sind vorzugsweise nach dem ersten oder gegebenenfalls nach einem weiteren Durchlaufofen ange- bracht bzw. installiert. Die Drehung wirkt gleichmässig, wie bereits oben beschrieben, über die gesamte Länge des Faserstrangs bzw. Faserstränge rückwirkend bis zu dem Ort, wo der Faserstrang die Beschichtungsvorrichtung, bzw. für das vorliegende Beispiel, die erste Verdrehwellen ver- lässt. Nach dem Durchlauf der Drehvorrichtung lösen sich die Drehungen wieder auf und ergeben den erfindungsgemass Faden mit im wesentlichen parallelen Fasern, welche keine oder nur wenige Drehungen pro Meter aufweisen.
Benützt man eine Kalibrierdüse, so rotiert diese mit so hoher Geschwindigkeit, dass die einzelnen Endlosfasern, bzw. die einzelnen Faserstränge im Verbund, verdichtet und auch kalibriert werden. Dabei wird bei der Kalibrierung sämtliches überschüssiges Beschichtungsmaterial, welches sich als Schmelzenkegel am Düsenausgang bildet, weg geschleudert. Der Durchmesser der Kalibrierdüse ist so eingestellt, dass der gewünschte Fadendurchmesser erhalten wird. Dabei werden die Fäden, wie bereits erwähnt, im Ver- fahren von der rotierenden Kalibrierdüse jeweils entlang des Fadens rückwirkend in Richtung der Beschichtungsvorrichtung verdreht. Nach dem Durchlaufen der rotierenden Kalibrierdüse bestehen die Drehungen nach vorne aber nicht mehr oder nur noch zum Teil, so dass die Fäden (Filamente) nach dem Durchlaufen der rotierenden Kalibrierdüse keine oder nur eine definierte kleine Anzahl spiralförmiger Umdrehungen pro Meter aufweisen.
Die rotierende Düse ist vorzugsweise in einer Hohlwelle angebracht bzw. fixiert und rotiert zusammen mit dieser Hohlwelle mit einer geeigneten Geschwindigkeit von in der Regel mindestens 500 Umdrehungen pro Minute (UpM) , vorzugsweise mindestens 2000 UpM, vorzugsweise mindestens 7000 UpM, und vorzugsweise mit etwa 10000 UpM. Bevorzugt ist ein Bereich von 7000 UpM bis 15000 UpM. Dabei wird die, vorzugsweise aus Hartmetall gefertigte, Düse vorzugsweise auf mindestens die Schmelztemperatur der Faserbeschichtung erwärmt, d.h. in der Regel auf mindestens etwa 100°C und vorzugsweise auf etwa 150-180°C.
Die Polymerbeschichtung der Faser uss beim Durchlaufen der Drehvorrichtung flüssig sein, d.h. auf eine Temperatur erwärmt sein, welche in der Regel bei mindestens 100°C, und vorzugsweise bei mindestens etwa 150-200°C, bzw. etwa 50 °C über dem Schmelzpunkt des Polymers liegt. Diese Erwärmung kann beispielsweise mittels IR-Strahlung oder Heissluft erfolgen.
Es ist auch möglich, mehrere einzelne rotierende Kalibrierdüsen, hintereinander in Serie zu schalten und die Fasern durch diese Vorrichtungen zu führen. Dadurch werden die Fasern noch genauer kalibriert und höher verdichtet. Vorzugsweise haben die hintereinander geschalteten Kalib- rierdüsen abnehmende innere (Kalibrier-) Durchmesser .
Vorzugsweise hat die rotierende Kalibrierdüse einen inneren Durchmesser im Bereich von etwa 100-2000μm (Mikrometer, Mikron) , vorzugsweise im Bereich von etwa 150-600μm und insbesondere im Bereich von etwa 200-35-0μm, beispielsweise etwa 200-240μm, wodurch ein erfindungsgemass hergestellter kalibrierter und verdichteter, bzw. homogenisierter und verdichteter, Strang mit einem entsprechenden Durchmesser erhalten wird. Dabei beträgt die durchschnitt- liehe lineare Abweichung von Sollwert des Durchmessers am gehärteten Faden in der Regel weniger als 6% , und vorzugsweise weniger als 4 % , und bewegt sich ebenfalls im Mikronbereich, was einen sehr hohen Rundungsgrad ergibt. Die Drehvorrichtung übt auf die Faser beim Durchlaufen ein örtliches Drehmoment aus. Dabei wird die Drehvorrichtung so eingestellt, dass der Faserstrang örtlich, beispielsweise je nach der Rotationsgeschwindigkeit der Kalibrier- düse, vor der Drehvorrichtung etwa 5 bis 50 spiralförmige Umdrehungen pro Meter, aufweist, vorzugsweise etwa 10 bis 30 spiralförmige Umdrehungen pro Meter, vorzugsweise etwa 10 bis 20 Umdrehungen pro Meter. Nach dem Verlassen der Drehvorrichtung besteht diese örtliche vergleichsweise hohe Zahl an Umdrehungen pro Meter nicht mehr, so dass ein Faserstrang aus im wesentlichen parallel und gerade ausgerichteten Endlosfasern resultiert. Das bedeutet, dass der Faserstrang vorzugsweise noch etwa 3 bis 10 Umdrehungen pro Meter und vorzugsweise noch etwa 2 bis 5 Umdrehungen pro Meter, aufweist. Wurde ein Faserstrang beschichtet, in welchem die einzelnen Endlosfasern in paralleler Form angeordnet sind, so bleibt im verdichteten, vorzugsweise im kalibrierten und verdichteten, Faserstrang die gegenseitige parallele Führung der einzelnen Fäden im wesentlichen erhalten.
Unabhängig von der erfindungsgemässen Verdichtung, vorzugsweise Kalibrierung und Verdichtung, des Faserstrangs bzw. der Faserstränge, können die kalibrierten und ver- dichteten Faserstränge bzw. dünnen Fäden, zusätzlich in an sich bekannter Weise weiter verarbeitet werden, beispielsweise zu dickeren und stärkeren Fäden.
Als Fasern, aus welchen die Faserstränge gebildet sind, können erfindungsgemass alle an sich bekannten Fasern verwendet werden, welche für die Herstellung von faserverstärkten Werkstoffen bekannt sind. Beispiele sind synthetische anorganische Fasern, insbesondere Glasfasern, C-Fa- sern, Kunststofffasern, insbesondere Aramidfasern (aro a- tisches Polyamid), Zylonfasern (PBO) 28 dtex (0.028 gr/m) , oder Naturfasern, insbesondere Cellulosefasern. Die Fila- mentstärke beträgt vorzugsweise etwa 5μm bis 20μm und etwa 100 tex-4800 tex (0.1 g/m-4.8 g/m) , vorzugsweise 600 tex- 2400 tex, wie solche üblicherweise verwendet werden.
Als Kunststoff für die Beschichtung kann man erfindungsgemass an sich bekannte thermoplastische Kunststoffe (als compound oder als Premix) und/oder an sich bekannte duro- plastische Formmassen (vorzugsweise als Premix) verwenden. Thermoplastische Formmassen bzw. Kunststoffe und deren Zusatzstoffe sind aus der Literatur in grosser Zahl bekannt. Synthetische thermoplastische Polymere sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, vorzugsweise Polyäthylen, insbesondere HDPE, oder Polypropylene (PP) ; Polykarbonate; Polyoxymethylene (POM) ; Polyethylentere- phthalate (PET) ; Polybutylenterephthalate (PBT) ; Polyethy- lensulfide (PES) ; Polyphenylenoxide (PPO) ; Polyphenylen- sulfide (PPS) ; PSO; PVDS; thermoplastischee Polykondensate, vorzugsweise Polyester und Polyamide, wie Polyamid 66, Polyamid' 12, u.a./ Polyvinylacetate; Polystyrole; Poly- acrylsäureester; Polymethacrylsäureester; Alkylen/Acryl- säure-Copolymere oder Alkylen/Methacrylsäure-Copolymere, vorzugsweise Äthylen/Acrylsäure-Copolymere; PEEK und PEK, Alkylen/Maleinanhydrid-Copolymere; oder Alkylen/Vinyl- alkohol-Copolymere. Bevorzugt sind HDPE, PP, Polykarbonate, POM, PET, PBT, PES, PEEK, PEAK, PPO, PPS, PSO, PVDS, und thermoplastische Polyamide. Bevorzugt sind synthetische Polymere mit einem Erweichungspunkt von 100°C oder höher, vorzugsweise im Bereich von 140°C bis 390°C und besonders im Bereich von 150°C bis 350°C. Duroplastische Kunststoffe in Form von Polykondensaten sind beispielsweise härtbare Phenol/Formaldehyd Kunststoffe (PF- Giessharze) , härtbare Bisphenolharze, härtbare Harnsto f/- Formaldehyd-Kunststoffe (UF-Formmassen) , Polyimide (PI) , BMI-Formmassen und Polybenzimidazole (PBI) . Duroplastische Kunststoffe in Form von Polyaddukten sind beispielsweise Epoxidharze (EP) , Formmassen aus ungesättigten Polyesterharzen (UP-Formmassen) , DAP-Harze (Polydiallylphthalat) , MF-Formmassen, z.B. härtbare Melamin/Phenol/Formaldehyd- Formmassen, oder vernetzte Polyurethane (PUR) .
Als Zusätze für thermoplastische Formmassen bzw. Kunststoffe sowie für duroplastische Kunststoffe in Form von Polykondensaten oder Polyaddukten sind beispielsweise, neben dem Harz/Härter/Beschleuniger-System für Duroplaste, Trennmittel, Gleitmittel, Füllstoffe, Pigmente, Haftvermittler, Stabilisatoren und Inhibitoren. Solche Verbindungen sind an sich bekannt, ebenso wie die für die Beschichtungen gemäss der vorliegenden Erfindung zu verwendenden bevorzugten Zusammensetzungen.
Die genannten Kunststoffe können im Schmelzverfahren bzw. direkt aus der Schmelze oder im Nassverfahren, das heisst in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, oder im Trocken- beschichtungsverfahren wie eingangs beschrieben als Beschichtung mit einer an sich bekannten geeigneten Apparatur auf die Faserstränge aufgetragen werden. Solche Vorrichtungen und die Verfahrensbedingungen sind dem Fachmann bekannt .
Werden die erfindungsgemass verdichteten, vorzugsweise kalibrierten und verdichteten, Faserstränge, oder mehrere solcher Faserstränge im Verbund, einer Nachbeschichtung unterzogen, so können die genannten Kunststoffe sowie die genannten Beschichtungsverfahren, je nach Eignung und Wahl, unabhängig voneinander verwendet werden. Dabei kann der Kunststoff zusätzlich im Gemisch mit mineralischen oder metallischen, vorzugsweise kristallinen, Verbindungen verwendet werden und als Bindemittel für die mineralischen Stoffe dienen. Eine solche Nachbeschichtung ist insbesondere für die Herstellung von Sägefäden notwendig. Solche mineralische Stoffe sind vorzugsweise kristalline, Verbindungen, vorzugsweise anorganische Verbindungen, vorzugs- weise Oxide, Karbide, Metallpulver vorzugsweise in Pulverform. Bevorzugt sind beispielsweise anorganische Verbindungen, wie Oxide, Karbide, vorzugsweise in Pulverform, wie beispielsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, oder auch andere Stoffe grosser Härte, wie bei- spielsweise kristalliner Kohlenstoff, vorzugsweise
Diamanten, insbesondere Industriediamanten, vorzugsweise in Form von Diamantpulver. Die Korngrösse des Pulvers liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 5μm-300μm (Mikron) , vorzugsweise im Bereich von etwa lOμm-lOOμm und insbeson- dere im Bereich von etwa 10μm-30μm. Bevorzugt für die Nachbeschichtung sind synthetische Polymere mit einem Erweichungspunkt von 100°C oder höher, vorzugsweise im Bereich von 140°C bis 390°C und besonders im Bereich von 150°C bis 350°C, wobei dieselben Verfahrenstemperaturen zur Anwendung kommen, wie diese für die Beschich- tungsvorrichtung hierin beschrieben sind.
Die im Anhang gegebene Figur 1 illustriert ein Schema einer Vorrichtung für die erfindungsgemässe Beschichtung und Nachbeschichtung eines Faserstranges, enthaltend drei in Serie geschaltete rotierende Kalibrierdüsen, welche z.B. den Faden zuerst auf 300μm, dann auf 260μm, und anschliessend auf 240μm kalibrieren und gleichzeitig verdichten. Figur 2 zeigt eine Drehvorrichtung enthaltend zwei, mit V- Nuten versehenen, gekühlten Wellen, welche im Winkel von weniger als 90° hintereinander angeordnet sind.
Figur 2a zeigt eine rotierende Kalibriervorrichtung, enthaltend die rotierende Kalibrierdüse, im Querschnitt.
Figur 3 und Figur 3A zeigen eine rotierende Kalibrierdüse mit Scherteil, bestehend aus einem Konus für den Schmelzenkegel A, der Zentrierbohrung B, der Querbohrung D, dem Flachkanal C, den Lagern E und F, sowie dem Zahnkranz G. Dabei tritt der mit geschmolzenem Premix beschichtete Faserstrang durch die Zentrierbohrung B in die Düse, ex- pandiert in der Querbohrung D und tritt durch den Flachkanal C wieder aus. Für besonders bruchempfindlichen Fila- ente oder für eine genaue Kalibrierung werden lediglich Runddüsen verwendet, um damit die Scherkräfte gering zu halten. Die Düse dreht bei diesem Vorgang mit 6000 bis 15000 Umdrehungen pro Minute. Durch den veränderten
Querschnitt kommt es zu einem Schereffekt und Ausübung einer Drehkraft. Die inneren Faserfila ente werden dabei deutlich besser aufgeschlossen. Man erhält somit einen homogenen Strang mit gleichmässigem Harzgehalt. Dieser ist kompakter und lässt sich zu einem besseren -Granulat granulieren. Die Dichte des Strangs ist höher. Der beschichtete Strang wird durch die Rotation und durch den Flachkanal bis zur Beschichtung verdichtet, so dass der beschichtete Strang ohne Verlust an Beschichtungspartikeln den IR-Ofen passiert. Der Zahnkranz ermöglicht es, verschiedene Kalibrierdüsen auf engem Raum in Linie nebeneinander anzuordnen und gegenseitig anzutreiben. Analoge Resultate erhält man mit eine Drehvorrichtung gemäss Figur 2. Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kalibrierdüse, analog zu der in den Figur 3 und Figur 3A gezeigten, wobei aber der Flachkanal B enger ist als der als Kalib- rierbohrung C bezeichnete Kanal.
Die im Anhang als Figur 1 dargestellte Vorrichtung (1) besteht aus einer Abwicklungsvorrichtung (2), der Beschich- tungsvorrichtung (3), der IR-Öfen (4), der Nachbeschich- tungsvorrichtung (5), der Drehvorrichtungen (6) gemäss Figur 2 oder 2a, wobei die Drehvorrichtung (6) vorzugsweise eine Drehvorrichtung nach Figur 2a darstellt, der Konditionier- vorrichtung (9) sowie der Wickeleinheit (10). Dabei ist die erste Drehvorrichtung direkt nach der Beschichtungsvorrich- tung (3) montiert. Weitere Drehvorrichtungen bzw. Kalibriervorrichtungen sind anschliessend an den ersten IR-Ofen (4) angebracht.
Bedeutet die Beschichtungsvorrichtung (3) eine Vorrichtung für das Trockenbeschichtungsverfahren im Wirbelbett, so liegt die Korngrössenverteilung der Beschichtungskomponente oder der Beschichtungskomponenten in der Trockenbeschich- tung vorzugsweise im Bereich von 30μm-250μm, vorzugsweise im Bereich von 50μm-300μm. Die durchschnittliche Korngrösse liegt zur Hauptsache vorzugsweise bei etwa 50μm-150μm.
Für die erfindungsgemässe Beschichtung von Fasersträngen im Trockenbeschichtungsverfahren mit einem Reaktionsharz, wie z.B. einem Epoxidharz, verwendet man vorzugsweise eine Schmelzentemperatur im Bereich von 60°C-300°C, vorzugsweise 70°C-220°C, eine Walzentemperatur von 10°C-200°C, vorzugsweise 20°C-50°C, eine Fadengeschwindigkeit von 3-200 Meter pro Minute, vorzugsweise 50-150 Meter pro Minute. Die Ver- arbeitungsbedingungen für die diversen Kunststoffe sind an sich bekannt und richten sich auch nach der Grosse der verwendeten Apparatur und können vom Fachmann ohne weiteres für den jeweilig verwendeten Kunststoff bzw. für das jewei- lig verwendete Harz richtig angewendet werden.
Im Pulverbeschichtungsverfahren selbst werden die Faserstränge von einem Rovinggestell, vorzugsweise von der Aussenseite der Rolle, abgewickelt und in die Beschich- tungseinheit geführt, wo sie vorzugsweise aufgefächert werden und das Wirbelschichtbad durchlaufen. Das Wirbelschichtbad umfasst im Prinzip eine Wanne und enthält die Zuführung für die Beschichtungskomponente bzw. Beschich- tungskomponenten, sowie den Fluidboden, der vorzugsweise aus gesintertem Aluminium oder Keramik besteht und durch welchen die Zuluft zum Fluidisierbecken, das ist die Flui- disierluft zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht, eingeleitet wird. Dabei ist der Durchmesser der Perforationen im perforierten Zwischenboden (Fluidboden) kleiner als die Korngrösse des verwendeten Beschichtungspulvers bzw. der Beschich'tungskomponenten oder des Granulats. Durch die Perforationen wird von unten her Luft oder ein Inertgas eingeblasen, so dass ein wallendes Pulver- oder Granulatbad bzw. eine Wirbelschicht entsteht. Im Wirbelschichtbad befinden sich auch mehrere Umlenkrollen oder Umlenkstäbe zur Auffächerung und Straffung der Fasern. Die Beschich- tungseinheit kann mit einer Einrichtung zur zusätzlichen Durchmischung der Beschichtungsko'mponenten, z.B. eine Mischvorrichtung für eine zusätzliche mechanische Durch- mischung der Beschichtungsko ponenten, versehen sein.
Die Temperatur der Zuluft zum Fluidisierbecken, das heisst die Konditionierung der Fluidisierluft, wird proportional zum Schmelzpunkt des Polymerpulvers gesteuert. Damit kann die Pulverauftragsmenge gesteuert werden. Es wird vorzugsweise ein Fluidboden aus gesintertem Aluminium oder Keramik verwendet. Die Konditionierung der Fluidisierluft ermöglicht es, Thermoplastpulver mit hohem Schmelzpunkt bereits während der Beschichtung bis unter die Erweichungstemperatur vorzuheizen und damit die erforderliche Aufheizzeit zu reduzieren. So kann die Produktivität bei Thermoplasten mit hohem Schmelzpunkt erheblich erhöht werden. Die Erwärmung bei der Konditionierung darf bei Reaktivharzgemischen allerdings nur bis genügend unterhalb der Temperatur (On-Set-Temperatur) erfolgen, bei welcher der exotherme Aushärtungsvorgang dieser Harzgemische einsetzt .
Nachdem die beschichteten Faserstränge das Wirbelschichtbad verlassen haben, durchlaufen sie die Drehvorrichtung nach Figur 2 oder die Drehvorrichtung nach Figur 2a. Die Drehvorrichtung nach Figur 2a ist eine rotierende Kalibriervorrichtung, enthaltend eine aus Hartmetall gefertigte rotierende Kalibrierdüse (7), durch welche die Endlosfasern beim Durchlauf gleichzeitig sowohl kalibriert als auch verdichtet werden. Die Kalibrierdüse (7) ist in einer Hohlwelle fixiert und rotiert zusammen mit dieser Hohlwelle. Die rotierende Hohlwelle kann durch einen an sich bekannten Elektroantrieb oder Druckluftantrάeb angetrieben werden. Die Kalibrierdüsen können auch in Zahnräder integriert werden, wobei die einzelnen Zahnräder in Linie ineinander eingreifen und sich antreiben. Die in Figur 2a gezeigte Konstruktion der Kalibriervorrichtung bzw. Kalibrierdüse ist nur eine der möglichen Ausführungsformen.
Anschliessend an die erste Drehvorrichtung bzw. Kalibriervorrichtung (6) werden die beschichteten Faserstränge durch einen IR-Ofen (4) bzw. einen Durchlaufofen geführt, wo sie erwärmt werden. Zu diesem Zweck enthält der Durchlaufofen vorzugsweise einen Infra-Rot-Erhitzer . Dabei wird die Beschichtung leicht flüssig oder pastös, aber nicht so flüssig, dass sie von den Fasern abtropfen kann. In diesem Zustand kann gegebenenfalls mittels einer Nachbeschichtung, in einer weiteren Beschichtungseinrichtung (5) weiteres Beschichtungsmaterial oder Granulat aufgebracht werden, welches aus anorganischem Pulver oder aus anorga- nischem Pulver gemischt mit organischem Polymer, oder aus organischem Polymer, wie vorgehend beschrieben, besteht. Derart kann der beschichtete, erhitzte Faden auch durch fluidisiertes Mineral- oder Metallpulver geführt werden, wobei dieses Pulver vom erweichten Beschichtungspolymer mitgeführt wird. Dabei bestimmen die Temperatur und die Verweilzeit die Schichtdicke des aufgetragenen Materials. Anschliessend kann in einem weiteren IR-Ofen behandelt werden. In dieser Weise kann die gewünschte Menge an Kunststoff und/oder anorganischem Material, welche auf die Fasern aufgebracht werden soll, ergänzt werden. Derart können Fadengewichte mit sehr niedrigem Glasanteil, beispielsweise Fäden mit nur 15 Gew.-?> Glasfaseranteil, erhalten werden. Die Nachbeschichtung kann auch als Isolation dienen.
Nachdem die Faserstränge beschichtet, kalibriert und verdichtet und gegebenenfalls nachbeschichtet sind, werden diese nun durch eine Konditioniervorrichtung (9) geführt, welche aus einer Kühleinrichtung und gegebenenfalls einer Erwärmungseinrichtung besteht. Wurde als Beschichtung ein Epoxidharzgemisch aufgebracht, so werden die Faserstränge gegebenenfalls erneut erwärmt, wobei das Epoxidharzgemisch vorgeliert bzw. vorvernetzt, jedoch nicht ausgehärtet wird. Die Kühlung ist vor allem auch deshalb notwendig, weil der Faser/Kunststoff-Verbund anschliessend durch ein Walzenpaar gezogen wird, welches diesen Verbund transportiert. Am Ort des Walzenpaares muss der Faser/Kunststoff- Verbund einen festen Zustand aufweisen, da sonst der Kunststoff an den Walzen des Walzenpaares haften kann, wodurch diese verschmutzt würden und unter Umständen ein zuverlässiger Transport des Faser/Kunststoff-Verbunds behindert würde. Vorzugsweise durchläuft der Faser/Kunststoffverbund noch eine Erwärmungseinrichtung, in welcher die für die Granulierung bzw. Wicklung erforderliche
Temperatur bestimmt wird. Anschliessend kann der erhaltene beschichtete Faserstrang aufgewickelt oder granuliert werden.
Verwendet man ein Pultrusionswerkzeug, so hat die Apparatur vorzugsweise den folgenden Aufbau:
Spulengatter —► Beschichtungsbad —► IR-Ofen —► Dreh- /Kalibriervorrichtung —► Pultrusionswerkzeug —► Profilabzugwerk.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, umfassend mindestens eine Beschichtungsvorrichtung (3) für die Beschichtung des Faserstrangs oder der Faserstränge im
Sch elzbeschichtungsverfahren oder im Nassbeschichtungsver- fahren oder im Trockenbeschichtungsverfahren, mindestens einen IR-Ofen (4) als DurchlaufVorrichtung (für das Nassund im Trockenbeschichtungsverfahren) für die Fixierung der Beschichtung, gegebenenfalls eine Nachbeschichtungsvor- richtung (5) , gegebenenfalls verbunden mit einem weiteren IR-Ofen (4), und mindestens eine Konditioniervorrichtung (9), bestehend aus einer Kühleinrichtung und gegebenenfalls einer Erwärmungseinrichtung zur abschliessenden Konditionierung des beschichteten Fadens, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich anschliessend an die Beschich- tungsvorrichtung (3), jedoch vor der Konditioniervorrich- tung (9) und vor einer gegebenenfalls anwesenden Nachbe- Schichtungsvorrichtung (5) , mindestens eine erfindungsgemässe Drehvorrichtung, vorzugsweise eine Kalibriervorrichtung (6) , installiert sind, wobei durch die Drehvorrichtung bzw. Kalibriervorrichtung (6) die beschichteten einzelnen Endlosfäden, aus welchen der jeweilige Faser- sträng gebildet ist bzw. der Faserstrang, oder mehrere solche Faserstränge im Verbund, unmittelbar nach dem Verlassen der Beschichtungsvorrichtung (3) verdichtet bzw. verdichtet und kalibriert werden und einen kompakten geschlossenen Strang bilden.
Die folgenden Beispiele illustrieren die Erfindung.
Beispiel 1
PBO-Roving enthaltend 160 Filamente mit einem Filament- durchmesser von jeweils 0.005 mm, 0.012 mm und 0.014 mm (5um, 12μm und 14μm) werden im Trockenbeschichtungsverfahren mit einer Matrix beschichtet, welche ein übliches Bisphenolharz (Araldit(f<)) und Härter (Durez®) der Firma Huntsmann und Durez, (50.0?. der gesamten Beschichtung) sowie übliche Trennmittel, Gleitmittel, Füllstoffe und
Pigmente (50.0%), in üblicher Zusammensetzung enthält. Die Komponenten der Matrix werden in einem Mischer gemischt und haben eine Korngrössenverteilung im Bereich von 30um bis 200μm. Das Beschichtungsverfahren wird einer vorgehend in der Beschreibung beschriebenen Apparatur durchgeführt, wobei eine in der EP-A-0 680 813 beschriebene Beschich- tungseinheit verwendet wird. Direkt nach der Beschichtungs- einheit ist eine Kalibriervorrichtung, enthaltend eine in einem Hohlrohr montierte rotierende Düse zur kontinuier- liehen gleichzeitigen Kalibrierung und Verdichtung der Faserstränge installiert. Diese Kalibriervorrichtung entspricht der in Figur 2a dargestellten Vorrichtung. Die Düse hat einen inneren Durchmesser von 300 μm. Eine zweite und eine dritte solche Kalibriervorrichtung mit jeweils einem Düsendurchmesser von 260μm und 240μm, sind in Serie anschliessend an den IR-Durchlaufofen angebracht.
Dabei werden die Glasrovings von einem Rovinggestell, vor- zugsweise von aussen, abgewickelt, aufgefächert und über vier Umlenkstangen durch das Wirbelschichtbad geführt. Die beschichteten Rovings durchlaufen anschliessend eine Kalibriervorrichtung, dann den Infra-Rot-Durchlaufofen bei einer Temperatur von 180°C und anschliessend die beiden in Serie geschalteten weiteren rotierenden Kalibriervorrichtungen. Die beschichteten Rovings werden dann in der Konditionier- einheit konditioniert und gekühlt, so dass der Kunststoff fest wird.
Es wurden beschichtete Rovings mit einem Durchmesser von 240 μm und einer Abweichung des Durchmessers auf der Länge des Fadens von weniger als 0.5.% erhalten. Es konnte praktisch keine Rauchentwicklung von zersetztem Beschichtungsmaterial im Durchlaufofen und in der Konditioniereinheit festgestellt werden. Die Fadengeschwindigkeit (Durchsatz) betrug 140 Meter pro Minute.
Beispiel 2
Beispiel 1 wird wiederholt mit der Massgabe, dass anstelle der Kalibriervorrichtungen nach Figur 2a, (i) nur eine Drehvorrichtung nach Figur 2, und (ii) zuerst eine Drehvorrichtung nach Figur 2 und anschliessend eine Kalibrier- Vorrichtung nach Figur 2a installiert werden. Auch hier werden analog gute Resultate wie in Beispiel 1 erhalten.
Beispiel 3 (Vergleichsbeispiel) Beispiel 1 wird wiederholt mit der Massgabe, dass auf die Installation der Kalibriervorrichtung (6) verzichtet wird. Es wurden beschichtete Rovings mit einem Durchmesser von etwa 300 μm und einer Abweichung auf der Länge des Fadens von 15% erhalten. Es konnte eine Rauchentwicklung von zer- setztem Beschichtungsmaterial im Durchlaufofen und in der Konditioniereinheit fest gestellt werden. Die Fadengeschwindigkeit (Durchsatz) betrug 80 Meter pro Minute.
Beispiel 4 Beispiel 1 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Bisphenolharz und der Härter sowie die Zusatzstoffe ersetzt werden durch ein PEEK-HT (Vitrex©, der Firma Victrex.) mit einem Schmelzpunkt von 370°C. Es werden analoge Resultate, wie in Beispiel 1 angegeben, erhalten.
Beispiel' 5
Beispiel 1 wird wiederholt mit der Massgabe, dass das Bisphenolharz und der Härter sowie die Zusatzstoffe ersetzt werden durch ein thermoplastisches Polyamid 11 Pulver mit einem Schmelzpunkt von 180°C. Es werden analoge Resultate, wie in Beispiel 1 angegeben, erhalten.
Beispiel 6 (Vergleichsbeispiel)
Die Beispiele 1, 2, 4 und 5 werden wiederholt mit der Mass- gäbe, dass auf die Installation der erfindungsgemässen
Drehvorrichtung bzw. rotierenden Kalibiervorrichtungen verzichtet wird. Auch hier sind die Resultate aus den Beispielen 1, 2, 4 und 5 den Resultaten aus Beispiel 6 deutlich überlegen. Im Verfahren gemäss den Beispielen 1, 2, 4 und 5 war die Fadenqualität, sowie der Verlust an Beschichtungsmaterial erheblich kleiner als im Beispiel 6. Ebenso war die Schüttdichte eines gemäss den Beispielen 1, 2, 4 und 5 erhaltenen Granulats merklich höher als diejenige gemäss Beispiel 5. Auch der Durchsatz war in den Beispielen 1, 2, 4 und 5 im Vergleich zu Beispiel 6 deutlich höher.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von verdichteten, mit Kunststoff beschichteten, Fasern bzw. Fasersträngen, bestehend aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern, ausgehend von Fasersträngen bestehend aus mit Kunststoff beschichteten Endlosfasern, dadurch gekennzeichnet, dass man Faserstränge, oder mehrere solche Faserstränge im Verbund, bestehend aus im wesentlichen parallel ausgerich- teten Endlosfasern, auf welchen sich der, gegebenenfalls als Pulver, aufgetragene Kunststoff in geschmolzenem bzw. flüssigem Zustand befindet, anschliessend an die Beschichtung durch eine Drehvorrichtung führt, mit welcher eine örtliche Drehung auf die Fasern ausgeübt wird, so dass die einzelnen Fäden im Verfahren, von der Drehvorrichtung ausgehend entlang der Fäden rückwärts in Richtung der Be- schichtungsvorrichtung, in Form von Drehungen miteinander verdreht werden, wobei jedoch nach dem Durchlaufen der Drehvorrichtung die Drehungen nicht mehr oder nur noch in geringem Masse bestehen, so dass die Endlosfasern nach dem Durchlaufen der Drehvorrichtung keine oder nur eine geringe Anzahl spiralförmiger Umdrehungen pro Meter aufweisen und im wesentlichen parallel und linear, bzw. gerade, angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung aus einer rotierenden Kalibrierdüse besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man dünne Fäden herstellt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass man die erhaltenen Faserstränge in einer Nachbeschichtung zusätzlich mit mineralischen Pulvern oder Metallpulvern bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Beschichtungspolymers, oder mit Kunststoff, gegebenenfalls im Gemisch mit mineralischen Pulvern, nachbeschichtet und anschliessend aushärtet oder erstarren lässt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdüse mit so hoher Geschwindigkeit rotiert, dass sämtliches überschüssiges Beschichtungsmaterial am Düsenrand weggeschleudert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Kalibrierdüse in einer Hohlwelle fixiert ist und zusammen mit dieser Hohlwelle rotiert, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von mindestens 500 Umdrehungen pro Minute (UpM) , vorzugsweise mindestens 2000 UpM, vorzugsweise mindestens 7000 UpM, und vorzugsweise mit etwa 10000 UpM.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdüse auf mindestens die Schmelztemperatur der Faserbeschichtung erwärmt ist und die Polymerbeschichtung der Faser in erwärmten flüssigem Zustand ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere rotierende Kalibrierdüsen in Serie geschaltet sind und die Fasern durch diese Vorrich- tungen geführt und derart kalibriert und verdichtet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdüse einen inneren Durchmesser im Bereich von 100-2000μm, vorzugsweise im Bereich von 150-600μm und insbesondere im Bereich von 200- 350μm, vorzugsweise 200-240μm, aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang vor der ersten Drehvorrichtung rückwärts in Richtung der Beschichtungsvorrich- tung, etwa 5 bis 50 spiralförmige Umdrehungen pro Meter, vorzugsweise etwa 10 bis 30 spiralförmige Umdrehungen pro Meter, vorzugsweise etwa 10 bis 20 Umdrehungen pro Meter, aufweist .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang nach dem Verlassen der Drehvorrichtung aus im wesentlichen parallel ausgerichteten Endlosfasern besteht, welcher vorzugsweise etwa 3 bis 10 Umdrehungen pro Meter und vorzugsweise etwa 2 bis 5 Umdrehungen pro Meter, aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern, aus welchen die Faserstränge gebildet sind, synthetische anorganische Fasern, insbesondere Glasfasern, C-Fasern, Kunststofffasern, insbesondere Aramidfasern (aromatisches Polyamid) , Zylonfasern (PBO) , vorzugsweise Zylon 28 DTEX, oder Naturfasern, insbesondere Cellulosefasern, darstellen und deren Filament- stärke vorzugsweise 5μm bis 20μm und etwa 100 tex-4800 tex (0.1 g/m-4.8 g/m) , vorzugsweise 600 tex-2400 tex, beträgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mit mindestens einem synthetischen thermoplastischen Polymer mit einem Erweichungspunkt von 100°C oder höher, vorzugsweise im Bereich von 140°C bis 390°C und besonders im Bereich von 150°C bis 350σC, beschichtet ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mit mindestens einem duroplastischen Kunststoff in Form von Polykondensaten, vorzugsweise härtbare Phenol/Formaldehyd Kunststoffe, härtbare Bisphenolharze, härtbare Harnstoff/Formaldehyd-Kunststoffe, Polyimide, BMI-Formmassen und Polybenzimidazole (PBI) ; mit mindestens einem duroplastischen Kunststoff in Form von Polyaddukten, vorzugsweise Epoxidharze, Formmassen aus ungesättigten Polyesterharzen, DAP-Harze, MF-Formmassen, vorzugsweise härtbare Melamin/Phenol/Formaldehyd-Form- massen, oder vernetzte Polyurethane.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nachbeschichtung mineralische, vorzugsweise kristalline, Verbindungen, gegebenenfalls im Gemisch mit weiterem Kunststoff, aufgebracht werden, vorzugsweise anorganischen Verbindungen, vorzugsweise
Oxide, Karbide, Metallpulver vorzugsweise in Pulverform, vorzugsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Stoffe grosser Harte, vorzugsweise kristalliner Kohlenstoff, vorzugsweise Diamanten, insbesondere Industrie- diamanten, wobei deren durchschnittliche Korngrösse im Bereich von 5μm-300μm, vorzugsweise im Bereich von lOμ - lOOμ und insbesondere im Bereich von 10μm-30μrα liegt.
16. Die nach einem der Ansprüche 1-15 hergestellten Fäden, Sägefäden, Tapes, Prepregs, faserverstärkten Kunst- stoffgranulate, faserverstärkte Formteile, faserverstärkten pultrudierten oder extrudierten Profile.
17. Verwendung der gemäss einem der Ansprüche 1-15 hergestellten einzelnen Endlosfasern, bzw. die entsprechenden einzelnen Faserstränge im Verbund, für die Herstellung von Fäden, Sägefäden, sowie für die Herstellung von Tapes und Prepregs, von faserverstärkten Kunststoffgranulaten und faserverstärkten Formteilen oder von faserverstärkten pultrudierten oder extrudierten Profilen sowie für Gewebe, welche aus beschichteten Rovings gewoben und gegebenenfalls anschliessend verpresst werden.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-15, umfassend mindestens eine Beschich- tungsvorrichtung (3) für die Beschichtung des Faserstrangs oder der Faserstränge im Schmelzbeschichtungsverfahren oder im Nassbeschichtungsverfahren oder im Trockenbeschichtungsverfahren, mindestens einen IR-Ofen (4) als Durchlauf- Vorrichtung (für das Nass- und im Trockenbeschichtungsverfahren) für die Fixierung der Beschichtung, gegebenenfalls eine Nachbeschichtungsvorrichtung (5) gegebenenfalls ver- bunden mit einem weiteren IR-Ofen (4), und mindestens eine Konditioniervorrichtung (9) , bestehend aus einer Kühleinrichtung und gegebenenfalls einer Erwärmungseinrichtung zur abschliessenden Konditionierung des beschichteten Fadens, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich anschlies- send an die BeschichtungsVorrichtung (3), jedoch vor der Konditioniervorrichtung (9) und vor einer gegebenenfalls anwesenden Nachbeschichtungsvorrichtung (5) , mindestens eine Drehvorrichtung (6) angebracht ist, durch welche die Faserstränge, oder mehrere solche Faserstränge im Verbund, verdichtet, und vorzugsweise gleichzeitig kalibriert, werden.
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