WO2020249445A1 - Pultrusionsmaschine - Google Patents

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WO2020249445A1
WO2020249445A1 PCT/EP2020/065407 EP2020065407W WO2020249445A1 WO 2020249445 A1 WO2020249445 A1 WO 2020249445A1 EP 2020065407 W EP2020065407 W EP 2020065407W WO 2020249445 A1 WO2020249445 A1 WO 2020249445A1
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WO
WIPO (PCT)
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fiber
resin
hood
inlet opening
outlet opening
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/065407
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Daniel Matthias MEISENHEIMER
Paul Heinz
Dirk Achten
Benedikt KILIAN
Original Assignee
Covestro Intellectual Property Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Covestro Intellectual Property Gmbh & Co. Kg filed Critical Covestro Intellectual Property Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2020249445A1 publication Critical patent/WO2020249445A1/de

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • 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]
    • B29C70/52—Pultrusion, i.e. forming and compressing by continuously pulling through a die
    • B29C70/525—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B15/00—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00
    • B29B15/08—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00 of reinforcements or fillers
    • B29B15/10—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step
    • B29B15/12—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length
    • B29B15/122—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length with a matrix in liquid form, e.g. as melt, solution or latex
    • B29B15/125—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length with a matrix in liquid form, e.g. as melt, solution or latex by dipping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
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    • B29C70/52—Pultrusion, i.e. forming and compressing by continuously pulling through a die
    • B29C70/521—Pultrusion, i.e. forming and compressing by continuously pulling through a die and impregnating the reinforcement before the die
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B13/00—Conditioning or physical treatment of the material to be shaped
    • B29B2013/005—Degassing undesirable residual components, e.g. gases, unreacted monomers, from material to be moulded

Definitions

  • the present invention relates to a pultrusion machine with the aid of which fiber-reinforced plastic profiles can be produced by extrusion.
  • a pultrusion machine is known from DE 60 2005 005 714 T2 in which, for the continuous production of fiber-reinforced plastic profiles, textile webs are drawn through a trifunctional or tetrafunctional epoxy resin composition in an impregnation device and the impregnated textile webs are then hardened or gelled by supplying heat.
  • a pultrusion machine for the extrusion of fiber-reinforced plastic profiles is provided with an impregnation device for impregnating fibers with a resin, the resin having a resin educt which is harmful to health and at least partially in the gas phase, in particular a monomeric aliphatic or aromatic diisocyanate, a hood covering the impregnation device Sealing of the impregnation device from an environment, the hood having a fiber inlet opening for supplying the fibers and a fiber outlet opening for removing the impregnated fibers, and a suction device for sucking off gaseous resin educt at the fiber inlet opening and / or at the fiber outlet opening.
  • the impregnated fibers can be guided from the fiber outlet opening into a shaping tool, where the fiber-reinforced plastic profile to be produced is given its shape.
  • the impregnating resin of the impregnated fibers can preferably already harden at least partially in the shaping tool and with a sufficient strength leave the shaping tool so that a drawing tool provided in the feed direction behind the shaping tool can attack.
  • the resin has as resin educt in particular a monomeric diisocyanate with a vapor pressure> 0.001 Pa at 23 ° C, preferably with a vapor pressure> 0.01 Pa at 23 ° C, particularly preferably with a vapor pressure> 0.1 Pa at 23 ° C, which only polymerizes in the forming tool.
  • the resin Due to the resulting lower degree of polymerisation of the resin, the resin has a lower viscosity, as a result of which the fibers can be wetted by the resin more quickly and more completely.
  • the dwell time of the fibers in the impregnation device can thereby be reduced, so that the fibers can be drawn through the impregnation device at a higher speed and the production speed of the fiber-reinforced plastic profiles is increased.
  • a hardening stage in the shaping tool for hardening the impregnating resin can thereby be made shorter and / or more energy-saving, whereby the production speed of the fiber-reinforced plastic profiles can also be increased.
  • a resin produced from aliphatic diisocyanates can be used as the resin.
  • the diisocyanates and / or polyisocyanates of the resin are not essentially exclusively trimerized as isocyanurates with a residual monomer content of at most less than 0.5% by weight and the monomer content of the monomeric aliphatic diisocyanates is significantly higher, a significant proportion of the monomers can already be Room temperature of 23 ° C pass into the gas phase.
  • Possible polyisocyanates are TDI, MDI, HDI, PDI, H12MDI, IPDI, TODI, XDI, NDI and decane diisocyanate.
  • Preferred polyisocyanates are HDI, PDI, H12MDI, MDI and TDI.
  • Monomeric aliphatic diisocyanates are highly volatile and toxic, so that it is not possible to operate an open pultrusion machine in a room in which there are unprotected people for occupational safety reasons.
  • the hood and the suction device make it possible to limit a volume contained in monomeric diisocyanate and to seal it off from the environment.
  • the suction power of the suction device can be dimensioned so high that a measurable pressure difference of preferably> 5 mbar, particularly preferably> 20 mbar and particularly preferably> 50 mbar compared to the ambient pressure in the room in which the pultrusion machine is set up arises within the extracted volume.
  • the negative pressure prevailing in the system ie within the volume covered by the hood 24, compared to the ambient pressure in a particularly preferred embodiment of the present invention is preferably 5 mbar to 50 mbar from 5 mbar to 12 mbar.
  • a higher negative pressure is not required for the intended purpose.
  • higher negative pressures are actually rather disadvantageous, since they promote the evaporation of volatile polyisocyanates.
  • the pressure difference means that a gas stream can only flow from the outside to the inside through the at least one fiber outlet opening and fiber inlet opening of the hood and not from the inside to the outside via the at least one outlet opening and fiber inlet opening.
  • the suction flow is also dimensioned in such a way that, in addition to the planned fiber exit openings and fiber entry openings, smaller unintentional compartments and / or leaks in the volume covered by the hood experience a gas flow from the outside to the inside.
  • the adequately impregnated fibers can leave the impregnating device, which is preferably encapsulated by the extracted hood, in a further manufacturing step in the direction of the shaping tool or hardening tool as a profile that is infinite in the feed direction.
  • the advancement of the impregnated fibers can be generated with the aid of a drawing tool behind the hardening tool, which pulls on the hardened profile.
  • the curing tool can be followed by a further suction device which, for example, includes a post-curing unit.
  • the suction in the further suction device is then preferably designed so that in the enclosed area a measurable pressure difference of preferably> 2 mbar, particularly preferably> 5 mbar and particularly preferably> 10 mbar compared to the ambient pressure in the room in which the pultrusion machine is created is set up.
  • the profiles obtained can usually be cut into transportable catches.
  • the hood can enclose the impregnation device as part of a housing and, apart from the intentionally provided openings, in particular the fiber inlet opening and the fiber outlet opening, seal the impregnation device, optionally including part of the curing mold, from the environment.
  • the hood can in particular be fastened in a gas-tight manner to a substrate that is impermeable to the resin educts. If necessary, the substrate can be given by a machine bed of the pultrusion machine itself. For example, a seal is provided between the hood and the substrate, the material of which is chemically resistant to the resin educts.
  • the unpolymerized monomers can be different from the impregnated Fibers are sucked off by the suction device, so that contamination of the environment can be avoided. This makes use of the knowledge that complete encapsulation of the pultrusion machine is not required.
  • the pultrusion machine does not need to be set up in a vacuum room that is closed to humans. Instead, it can already be sufficient just to expose the volume enclosed with the aid of the hood to a sufficient negative pressure in order to avoid contamination of the space accommodating the pultrusion machine.
  • the hood and / or the suction device can have passive and / or active cooling elements, in particular cooling fins and / or a cooling jacket.
  • the volume covered by the hood is ⁇ 10 m 3 , in particular ⁇ 5 m 3 and preferably ⁇ 2 m 3 and particularly preferably ⁇ 1 m 3 . This has the advantage that a comparatively low extraction rate is required to maintain the negative pressure.
  • an extraction capacity of the suction device generates a gas throughput of ⁇ 2000 m 3 / h, in particular ⁇ 1500 m 3 / h, preferably ⁇ 1000 m 3 / h and particularly preferably ⁇ 500 m 3 / h.
  • the gas throughput can be divided between the at least one fiber inlet opening and the at least one fiber outlet opening.
  • the impregnation device is preferably designed to achieve a conversion of> 5 kg / h, preferably> 20 kg / h and particularly preferably> 50 kg / h of reaction material. Due to the particularly low viscosity of the resin educts, the impregnation volume of an impregnation bath of the impregnation device can be kept very small and, at the same time, a comparatively high conversion can be achieved.
  • the space that the further suction device, which encloses the shaping and hardening unit comprises ⁇ 10 m 3 , preferably ⁇ 5 m 3 and particularly preferably ⁇ 2 m 3 and very particularly preferably ⁇ 1 m 3 .
  • This has the advantage that a comparatively low extraction rate of ⁇ 2000 m 3 / h, preferably ⁇ 1500 m 3 / h and particularly preferably ⁇ 1000 m 3 / h and very particularly preferably ⁇ 500 m 3 / h gas throughput is required to maintain the negative pressure .
  • the gas in the inflow which is sucked into the hood by the suction device, is cooled and / or dried.
  • the inflow that is sucked into the hood by the suction device consists of an inert gas, such as CO2, N2, Ar etc., which is preferably dried before use and preferably circulated after it has been freed of any reactive components that may have been entrained during passage through the suction device
  • the viscosity of the reaction material containing low viscosity monomers aliphatic diisocyanates is ⁇ 500 mPas, preferably ⁇ 300 mPas, particularly preferably ⁇ 200 mPas and very particularly preferably ⁇ 100 mPas at 23 ° C. in accordance with DIN EN ISO 2884-1. Due to this particularly low viscosity, the impregnation volume of an impregnation bath of the impregnation device can be kept very small, although conversions of> 5 kg / h, particularly preferably> 20 kg / h and very particularly preferably> 50 kg / h of reaction material are obtained.
  • the fiber inlet opening is minimized as far as possible. This is preferably implemented in that the fibers are already combined via rollers and guide rails before being introduced into the impregnation device, so that the fiber inlet opening comprises ⁇ 2000 cm 2 , preferably ⁇ 1000 cm 2 and very particularly preferably ⁇ 500 cm 2 .
  • the fibers guided through the fiber inlet opening are guided through a hanging or stretched textile curtain, which further reduces the inlet gas volume and largely prevents contamination of the impregnation device with dust etc. from the environment.
  • the fiber curtain can preferably be statically charged.
  • the fiber exit opening is minimized as much as possible. This is preferably implemented in that the fibers are already combined via rollers and guide rails before they are discharged from the impregnation device, so that the fiber exit opening comprises ⁇ 500 cm 2 , preferably ⁇ 200 cm 2 and very particularly preferably ⁇ 100 cm 2 .
  • the fiber exit opening is preferably smaller than the fiber entry opening.
  • the impregnated fibers guided through the fiber outlet opening are passed through a hanging or stretched textile curtain out, which further reduces the inlet gas volume and largely prevents contamination of the impregnation device with dust etc. from the environment.
  • a large part of the excess reaction material can be stripped off the impregnated fibers and preferably returned to the impregnation bath or via an intermediate container to the impregnation device.
  • the hood makes it possible to use a resin in the impregnation device which, due to a high monomer content in the resin educts, has a particularly low viscosity and can therefore completely wet the fibers more quickly without the volatile and toxic resin educts being able to harm people, so that a fast production of fiber-reinforced plastic profiles is enabled.
  • the resin can, for example, be conveyed into the impregnation device from separately stored closed drums via the fiber inlet opening.
  • the hood can, for example, also encapsulate all components of the pultrusion machine provided upstream of the impregnation device, the hood optionally also being able to encapsulate at least one storage container, in particular a closed barrel, in which the resin to be fed to the impregnation device is stored.
  • upstream of the impregnation device there is a rack with fiber spindles and / or a preforming device in which the fibers coming from the fiber spindles are connected to a matrix, for example mats and / or tiles, and / or are laid, knitted and / or twisted together in the defined relative position before the fibers are fed to the impregnation device.
  • a matrix for example mats and / or tiles, and / or are laid, knitted and / or twisted together in the defined relative position before the fibers are fed to the impregnation device.
  • a drawing tool with the aid of which the fibers are drawn through the impregnation device, and / or a separating device, which catches the fiber-reinforced plastic profiles in the desired manner, is preferred separates, provided outside the hood.
  • a significant escape of toxic resin educts is not to be feared, so that a covering and encapsulation of the drawing tool and the separating device is not necessary.
  • the hood and the suction device can thus be dimensioned correspondingly smaller and more cost-effective.
  • the resin with the monomeric resin educts can be conveyed into the impregnation device from a closed container, for example a closed barrel.
  • a supply line leading from the container can lead via the fiber inlet opening into the hood and into the impregnation device.
  • the impregnation device can have a trough in which the resin can collect and the fibers can be drawn through the resin.
  • the resin can be injected via a nozzle, so that the resin directly hits the fibers and excess resin can drip off into the tub.
  • an overflow and / or a discharge device can be provided in order to discharge resin which does not adhere to the fibers, for example as a purge flow.
  • the feed line and / or an optionally provided discharge line for discharging resin can be passed through the hood with sufficient tightness.
  • the hood only covers the impregnation device, so that an impregnation bath of the impregnation device, through which the fibers are drawn and from which the monomeric resin educts can evaporate, is encapsulated by the hood.
  • the hood does not need to seal components of the pultrusion machine provided upstream of the impregnation device, such as a rack with fiber spindles and / or a preform device for the fibers.
  • the hood and the suction device can be dimensioned accordingly small and inexpensive. In this case, comparable to the fiber outlet opening, a volume flow can also be sucked off by the suction device at the fiber inlet opening, which flow can prevent gaseous resin educts from escaping through the fiber inlet opening into the environment.
  • an overflow for excess reactive material is provided at the fiber outlet opening, which is preferably received within the further suction device and returned to the impregnation device.
  • the excess material can be placed in an intermediate container are transferred, from which it can preferably be continuously metered back into the impregnation device.
  • a transition between the impregnation device and the molding tool provided at the fiber outlet opening is thermally decoupled to such an extent that the returning material has a maximum temperature of ⁇ 40 ° C, preferably ⁇ 30 ° C and particularly preferably ⁇ 20 ° C above Temperature of the reactive material in the impregnation device.
  • the impregnation device is thermally separated from the shaping and hardening tool by an insulator.
  • the insulator is preferably a gas or a material with little thermal conductivity to which the reaction mass also adheres poorly.
  • the insulator is e.g. a ceramic or a material coated with a fluoropolymer or silicone polymer or a fluorine or silicone polymer.
  • a shaping tool for shaping the impregnated fibers into a fiber-reinforced plastic profile is provided behind the hood in the feed direction, the fiber outlet opening of the hood forming an inlet opening and / or a die for the shaping tool.
  • the shaping tool can directly adjoin the fiber outlet opening of the hood, so that the impregnated fibers only have to cover the shortest possible distance to the shaping tool.
  • the fiber exit opening of the hood can already be suitably profiled in order to perform at least one preforming of the impregnated fibers as a die of the shaping tool for the strand drawing process taking place in the shaping tool.
  • a suction capacity of the suction device is preferably concentrated at the fiber exit opening and / or at the fiber entry opening. This makes use of the knowledge that suctioning off at a point offset from the fiber outlet opening and / or the fiber inlet opening is not required, since the only thing that matters for a health hazard from the gaseous resin educts is the gas volume flow at the fiber outlet opening and possibly also at the fiber inlet opening .
  • a pressure loss caused by flow resistances from a suction point of the suction device to the fiber outlet opening and / or to the fiber inlet opening can be minimized. Instead, a suction point of the suction device can be provided as close as possible to the fiber outlet opening and / or to the fiber inlet opening.
  • the low pressure inside the hood in particular a If there is negative pressure, resin educts can evaporate into the gas phase over the entire surface of the resin. Since the suction of the suction device can be concentrated at the fiber outlet opening and / or at the fiber inlet opening, a lower partial pressure is established in the area of the fiber outlet opening and / or the fiber inlet opening, so that on the remaining surface of the resin due to the at least slightly higher partial pressure Evaporation of the resin educts is more inhibited.
  • an edge pressure of the suction device at the fiber outlet opening and / or at the fiber inlet opening is set so low that a volume flow from the inside of the hood into the environment via the fiber inlet opening is just avoided.
  • a volume flow set by the suction device can be suitably set for this, taking into account the respective opening cross-section of the fiber outlet opening or the fiber inlet opening. It is sufficient that, with the selected volume flow of the suction device, a volume flow from the inside to the outside via the fiber outlet opening and / or the fiber inlet opening is certainly so small that the maximum workplace concentration is maintained in the surrounding volume, preferably contamination with the volatile isocyanates cannot be measured .
  • a significantly large volume flow from the outside to the inside via the fiber outlet opening and / or the fiber inlet opening is not required. So that monomeric resin educts still dissolved in the resin can also be sucked out of the impregnated fibers, the edge pressure at the fiber outlet opening can be set to be particularly low compared to the edge pressure at the fiber inlet opening. As a result, residual resin educts in the impregnated fibers can be evaporated and sucked off, so that essentially no significant quantities of the resin educts can evaporate from the impregnated fibers and reach the environment outside the hood. In addition, such a low pressure at the fiber outlet opening achieved by the suction device can achieve significant convective cooling of the impregnated fibers.
  • the suction device has a suction channel ending at the fiber inlet opening and / or a suction channel ending at the fiber outlet opening, in particular a side wall of the suction channel being formed by the hood.
  • the suction power of the suction device can easily be concentrated on the fiber inlet opening and / or on the fiber outlet opening.
  • the respective suction channel can lead to at least one fan arranged inside or outside the hood, which fan can build up the required delivery pressure of the suction device.
  • the suction device preferably has an outlet channel leading through the hood to a filter device, in particular designed as a liquid filter, for separating off the gaseous resin educts.
  • the filter device can filter out the vaporous resin educts contained in the exhaust gas from the suction device.
  • the vaporous resin educts can be dissolved in a liquid filter or a gas scrubber and, if appropriate, separated from the waste water and reused.
  • the gas stream freed from the gaseous resin educts can therefore also be returned to the cycle.
  • a gassing device is particularly preferably provided for applying an, in particular inert, protective gas to the fiber inlet opening and / or the fiber outlet opening, in particular from outside the hood.
  • Steam can also be used as a protective gas, for example, which destroys gaseous isocyanate and would react so slowly with isocyanate in the liquid state that it would be consumed before the liquid isocyanate had significantly converted.
  • the gassing device can build up an excess pressure outside of the fiber inlet opening and / or the fiber outlet opening, which can prevent vaporous resin educts from escaping from the hood.
  • the gassing device can achieve additional cooling of the impregnated fibers.
  • the present invention relates to the use of the pultrusion machine described above for the extrusion of fiber-reinforced plastic profiles.
  • the resin 20 contains in particular a monomeric diisocyanate with a vapor pressure> 0.001 Pa at 23 ° C, preferably with a vapor pressure> 0.01 Pa at 23 ° C and particularly preferably with a vapor pressure> 0.1 Pa at 23 ° C .
  • FIG. 1 a schematic perspective view of a previously known pultrusion machine
  • FIG. 2 a schematic basic illustration of part of the pultrusion machine according to the invention from FIG. 1.
  • the pultrusion machine 10 shown in FIG. 1 has an impregnation device 12 with an impregnation bath 14 accessible to the environment, into which fibers 16 can be introduced from a spindle rack 46 with the aid of a pulling tool 44 in order to feed the fibers with a mixer unit 48 To wet resin 20.
  • the fibers 16 drawn out of the soaking bath 14 and wetted with resin 20 can be cooled by a cooling device 50 via a shaping tool and cut to length behind the drawing tool 44 with the aid of a saw 52.
  • the pultrusion machine 10 shown schematically in FIG. 2, has, in comparison to the pultrusion machine 10 shown in FIG. 1, an impregnation device 12 which has, for example, an impregnation bath 14 which is filled with a resin 20. Fibers 16 can be drawn into the impregnation bath 14 of the impregnation device 12, where the fibers 16 are wetted with the resin 20 and leave the impregnation bath 14 again as impregnated fibers 18.
  • the drinking bath 14 can be placed on a machine bed 22.
  • the impregnation device 12 can in particular be designed as an injection device in which the resin 20, in particular onto the fibers 16 entering the impregnation device 12, is injected via a nozzle.
  • the resin 20 has resin educts with a high proportion of monomeric aliphatic diisocyanates, the resin educts in particular having a monomer proportion in% by weight of> 2%, preferably> 5%, more preferably> 10%, particularly preferred > 20% and in particular> 40%.
  • the resin educts only polymerize in the impregnation bath 14 of the impregnation device 12 and enable a particularly low viscosity for the resin 20, which enables the fibers 16 to be quickly and comprehensively wetted.
  • the resin educts which are hazardous to health and which have passed into the gas phase can be removed from a hood 24 connected in a gas-tight manner to the machine bed 22 in the Impregnation device 12 are retained.
  • the hood 24, together with the machine bed 22, can form a housing for the impregnation device 12, in which the impregnation device 12 is largely encapsulated.
  • a suction device 26 With the help of a suction device 26, the vaporized monomeric resin educts can be sucked off and fed via an outlet channel 28 to a filter device 30 designed as a liquid filter, where the exhaust gas from the suction device 26 can be cleaned and the resin educts separated and possibly recycled.
  • the hood 24 has a fiber inlet opening 32 via which the fibers 16 can be fed into the hood 24 and the impregnation device 12.
  • the hood 24 has a fiber outlet opening 34 via which the impregnated fibers 18 can be discharged from the impregnation device 12 and the hood 24.
  • the suction device 26 has suction channels 36 leading to the fiber inlet opening 32 and the fiber outlet opening 34, which are formed, for example, by a U-shaped plate 38 welded onto the inside of the hood 24.
  • the suction power provided by a fan 40 of the suction device 26 can be concentrated at the fiber inlet opening 32 and the fiber outlet opening 34 in order to prevent the gaseous resin educts from escaping from the hood 24.
  • a particularly low pressure can be achieved in the area of the fiber inlet opening 32 and the fiber outlet opening 34 compared to the rest of the volume encapsulated by the hood 24, the pressure in the area of the fiber outlet opening 34 being lower than the pressure in the area of the fiber inlet opening 32 to avoid the exothermic To dissipate the heat of reaction during the polymerization of the monomeric resin educts and to achieve a significant cooling of the impregnated fibers 18.
  • the hood 24 can also have a fiber inlet opening 42 via which the resin 20 conveyed from a closed container can be conveyed into the impregnation device 12.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pultrusionsmaschine zum Strangziehen faserverstärkter Kunststoffprofile mit einer Imprägniereinrichtung (12) zum Imprägnieren von Fasern (16) mit einem Harz (20), wobei das Harz (20) ein gesundheitsschädliches und zumindest teilweise in die Gasphase übergehendes Harzedukt, insbesondere monomeres aliphatisches Diisocyanat, aufweist, einer die Imprägniereinrichtung (12) abdeckenden Haube (24) zur Abdichtung der Imprägniereinrichtung (12) gegenüber einer Umgebung, wobei die Haube (24) eine Fasereingangsöffnung (32) zum Zuführen der Fasern (16) und eine Faserausgangsöffnung (34) zum Abführen der imprägnierten Fasern (18), und einer Absaugeinrichtung (26) zum Absaugen gasförmigen Harzedukts an der Fasereingangsöffnung (32) und/oder an der Faserausgangsöffnung (34). Durch die Haube (24) ist es möglich in der Imprägniereinrichtung (12) ein Harz (20) zu verwenden, das aufgrund eines hohen Monomeranteils in den Harzedukten eine besonders niedrige Viskosität aufweist und dadurch die Fasern (16) schneller vollständig benetzen kann, ohne dass die flüchtigen und giftigen Harzedukte Personen schaden können, so dass eine schnelle Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen ermöglicht ist.

Description

Pultrusionsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pultrusionsmaschine, mit deren Hilfe durch Strangziehen faserverstärkter Kunststoffprofile hergestellt werden können.
Aus DE 60 2005 005 714 T2 ist eine Pultrusionsmaschine bekannt, bei der zur kontinuierlichen Herstellung faserverstärkter Kunststoffprofile durch Strangziehen Textilbahnen in einer Imprägniereinrichtung durch eine tri- oder tetrafunktionales Epoxidharz aufweisende Harzzusammensetzung durchgezogen und nachfolgend die imprägnierten Textilbahnen durch Zufuhr von Wärme gehärtet beziehungsweise geliert werden.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen zu beschleunigen und neue Rohstoffkombinationen zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen zur Verfügung zu stellen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, die eine schnelle, wirtschaftliche und sichere Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen auf Basis von Rohstoffen zu ermöglichen, die bislang nicht unter arbeitshygienischer Betrachtung sicher verarbeitet werden konnten. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Pultrusionsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Erfindungsgemäß ist eine Pultrusionsmaschine zum Strangziehen faserverstärkter Kunststoffprofile vorgesehen mit einer Imprägniereinrichtung zum Imprägnieren von Fasern mit einem Harz, wobei das Harz ein gesundheitsschädliches und zumindest teilweise in die Gasphase übergehendes Harzedukt, insbesondere ein monomeres aliphatisches oder aromatisches Diisocyanat, aufweist, einer die Imprägniereinrichtung abdeckenden Haube zur Abdichtung der Imprägniereinrichtung gegenüber einer Umgebung, wobei die Haube eine Fasereingangsöffnung zum Zuführen der Fasern und eine Faserausgangsöffnung zum Abführen der imprägnierten Fasern aufweist, und einer Absaugeinrichtung zum Absaugen gasförmigen Harzedukts an der Fasereingangsöffnung und/oder an der Faserausgangsöffnung.
Die imprägnierten Fasern können von der Faserausgangsöffnung in ein formgebendes Werkzeug geführt werden, wo das herzustellende faserverstärkte Kunststoffprofil seine Formgebung erhält. Das imprägnierende Harz der imprägnierten Fasern kann vorzugsweise in dem formgebenden Werkzeug zumindest teilweise bereits härten und mit einer ausreichenden Festigkeit das formgebende Werkzeug verlassen, sodass ein in Vorschubrichtung hinter dem formgebenden Werkzeug vorgesehenes Ziehwerkzeug angreifen kann. Das Harz weist als Harzedukt insbesondere ein monomeres Diisocyanat mit einem Dampfdruck >0,001 Pa bei 23°C, bevorzugt mit einem Dampfdruck >0,01 Pa bei 23°C, besonders bevorzugt mit einem Dampfdruck >0,1 Pa bei 23°C auf, das erst in dem formgebenden Werkzeug polymerisiert. Aufgrund des dadurch geringeren Polymerisationsgrad des Harzes weist das Harz eine geringere Viskosität auf, wodurch die Faser schneller und vollständiger von dem Harz benetzt werden können. Die Verweildauer der Fasern in der Imprägniereinrichtung kann dadurch verringert werden, so dass die Fasern mit einer höheren Geschwindigkeit durch die Imprägniereinrichtung gezogen werden können und sich die Herstellungsgeschwindigkeit der faserverstärkten Kunststoffprofile erhöht. Gleichzeitig entsteht bei der Polymerisation der monomeren Harzedukte im formgebenden Werkzeug eine Isocyanatkonzentration von > 25 Gew.%, bevorzugt > 30 Gew.%, weiter bevorzugt > 35 Gew.% und besonders bevorzugt > 40 Gew.% bezogen auf die flüssigen Bestandteile der Reaktionsmischung eine Reaktionswärme, welche zum Härten des imprägnierenden Harzes der imprägnierten Fasern genutzt werden kann. Eine Härtungsstufe im formgebenden Werkzeug zum Härten des imprägnierenden Harzes kann dadurch kürzer und/oder energie sparender ausgestaltet werden, wodurch ebenfalls die Herstellungsgeschwindigkeit der faserverstärkten Kunststoffprofile erhöht werden kann.
Als Harz kann insbesondere ein Harz verwendet werden, das aus aliphatischen Diisocyanaten hergestellt ist. Wenn die Diisocyanate und/oder Polyisocyanate des Harzes allerdings nicht im Wesentlichen ausschließlich trimerisiert als Isocyanurate mit einem Restmonomergehalt von allenfalls kleiner 0,5 Gew.-% vorliegen und der Monomergehalt der monomeren aliphatischen Diisocyanate deutlich höher ist, kann ein signifikanter Anteil der Monomere schon bei Raumtemperatur von 23°C in die Gasphase übergehen. Mögliche Polyisocyanate sind TDI, MDI, HDI, PDI, H12MDI, IPDI, TODI, XDI, NDI und Decandiisocyanat. Bevorzugte Polyisocyanate sind HDI, PDI, H12MDI, MDI und TDI. Monomere aliphatische Diisocyanate sind leicht flüchtig und toxisch, so dass ein Betrieb einer offenen Pultrusionsmaschine in einem Raum, in dem sich auch ungeschützte Menschen befinden, aus Arbeitsschutzgründen nicht möglich ist. Durch die Haube und die Absaugeinrichtung ist es jedoch möglich ein monomeres Diisocyanat enthaltenes Volumen zu begrenzen und gegenüber der Umgebung abzudichten. Die Absaugleistung der Absaugeinrichtung kann so hoch dimensioniert sein, dass innerhalb des abgesaugten Volumens ein messbarer Druckunterschied von bevorzugt > 5 mbar, besonders bevorzugt > 20 mbar und besonders bevorzugt > 50 mbar gegenüber dem Umgebungsdruck im Raum entsteht, in dem die Pultrusionsmaschine aufgestellt ist. Da der Unterdrück in der erfindungsgemäßen Anlage dazu dient, einen unkontrollierten Austritt von Dämpfen zu verhindern, beträgt der in der Anlage, d.h. innerhalb des von der Haube 24 abgedeckten Volumens, herrschende Unterdrück gegenüber dem Umgebungsdruck in einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 5 mbar bis 50 mbar, bevorzugt von 5 mbar bis 12 mbar. Ein höherer Unterdrück ist für den angestrebten Zweck nicht erforderlich. Größere Unterdrücke sind im Gegenteil sogar eher nachteilig, da sie die Verdunstung von flüchtigen Polyisocyanaten begünstigen. Der Druckunterschied führt dazu, dass ein Gasstrom nur von außen nach innen durch die mindestens eine Faserausgangsöffnung und Fasereingangsöffnung der Haube und nicht von innen nach außen über die mindestens eine Ausgangsöffnung und Fasereingangsöffnung strömen kann. Der Absaugstrom ist weiterhin so dimensioniert, dass neben den geplanten Faserausgangsöffnungen und Fasereingangsöffnungen auch kleinere unbeabsichtigte Föcher und/oder Undichtigkeiten des von der Haube abgedeckten Volumens einen Gasstrom von außen nach innen erfahren. Die hinreichend imprägnierten Fasern können die von der abgesaugten Haube bevorzugt eingekapselte Imprägniereinrichtung in einem weiteren Herstellungsschritt in Richtung des Formgebungswerkzeugs bzw. Härtungswerkzeugs als ein in Vorschubrichtung unendliches Profil verlassen. Der Vorschub der imprägnierten Fasern kann dabei mit Hilfe eines Ziehwerkzeugs hinter dem Härtungswerkzeug erzeugt werden, welches an dem ausgehärteten Profil zieht. Gegebenenfalls kann sich an das Aushärtewerkzeugt eine weitere absaugende Vorrichtung anschließen, die zum Beispiel eine Nachhärtung umschließt. Wiederum ist die Absaugung in der weiteren absaugenden Vorrichtung dann bevorzugt so ausgelegt, dass in dem umschlossenen Bereich ein messbarer Druckunterschied von bevorzugt > 2 mbar, besonders bevorzugt > 5 mbar und besonders bevorzugt > 10 mbar gegenüber dem Umgebungsdruck im Raum entsteht, im dem die Pultrusionsmaschine aufgestellt ist. Im Anschluss an die gegebenenfalls vorgesehene Nachhärtung können die erhaltenen Profile üblicherweise in transportfähige Fängen geschnitten werden.
Die Haube kann als Teil eines Gehäuses die Imprägniereinrichtung einhausen und abgesehen von den bewusst vorgesehenen Öffnungen, insbesondere der Fasereingangsöffnung und der Faserausgangsöffnung, die Imprägniereinrichtung gegebenenfalls inklusive eines Teils der Härtungsform gegenüber der Umgebung abdichten. Die Haube kann insbesondere an einem für die Harzedukte undurchlässigen Untergrund gasdicht befestigt sein. Gegebenenfalls kann der Untergrund durch ein Maschinenbett der Pultrusionsmaschine selbst gegeben werden. Beispielsweise ist zwischen der Haube und dem Untergrund eine Dichtung vorgesehen, deren Material gegenüber den Harzedukten chemisch beständig ist. Die nicht polymerisierten Monomere können von den imprägnierten Fasern von der Absaugeinrichtung abgesaugt werden, so dass eine Kontamination der Umgebung vermieden werden kann. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass eine vollständige Einkapselung der Pultrusionsmaschine nicht erforderlich ist. Die Pultrusionsmaschine braucht nicht in einem für Menschen gesperrten Unterdruck-Raum aufgesteht zu sein. Stattdessen kann es bereits ausreichend sein, lediglich das mit Hilfe der Haube umschlossene Volumen einem ausreichenden Unterdrück auszusetzen, um eine Kontamination des die Pultrusionsmaschine aufnehmenden Raums zu vermeiden. Die Haube und/oder die Absaugeinrichtung kann passive und/oder aktive Kühlelement, insbesondere Kühlrippen und/oder einen Kühlmantel, aufweisen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt das von der Haube abgedeckte Volumen < 10 m3, insbesondere < 5 m3 und bevorzugt < 2 m3 und besonders bevorzugt < 1 m3. Dies hat den Vorteil, dass zur Aufrechterhaltung des Unterdrucks eine vergleichbar geringe Abzugsleistung benötigt wird.
Insbesondere erzeugt eine Abzugsleistung der Absaugeinrichtung einen Gasdurchsatz von < 2000 m3/h, insbesondere < 1500 m3/h, vorzugsweise < 1000 m3/h und besonders bevorzugt < 500 m3/h. Der Gasdurchsatz kann auf die mindestens eine Fasereingangsöffnung und die mindestens eine Faserausgangsöffnung aufgeteilt sein.
Vorzugsweise ist die Imprägniereinrichtung ausgelegt einen Umsatz von > 5 kg/h, vorzugsweise > 20 kg/h und besonders bevorzugt > 50 kg/h an Reaktionsmaterial zu erhalten. Aufgrund der besonders niedrigen Viskosität der Harzedukte kann das Imprägniervolumen eines Tränkebads der Imprägniereinrichtung sehr klein gehalten werden und gleichzeitig ein vergleichsweise hoher Umsatz erreicht werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Raum, den die weitere absaugende Vorrichtung, welche die Formgebungs- und Härtungseinheit umschließt, < 10 m3, bevorzugt < 5 m3 und besonders bevorzugt < 2 m3 und ganz besonders bevorzugt < 1 m3. Dies hat den Vorteil, dass zur Aufrechterhaltung des Unterdrucks eine vergleichbar geringe Abzugsleistung von < 2000 m3/h bevorzugt < 1500 m3/h und besonders bevorzugt < 1000 m3/h und ganz besonders bevorzugt < 500 m3/h Gasdurchsatz benötigt wird.
Besonders vorteilhaft wird nur ein geringer Fufvolumenstrom benötigt, da über eine höhere Absaugleistung die Menge an Gas, die mit einem Tränkebad der Imprägniereinrictung oder mit dem Reaktivharz in Berührung kommt und zu ungewünschten Nebenreaktionen führen kann, wie z.B. Wassereintrag in Regionen mit hoher Gasfeuchtigkeit, minimiert werden kann. In einer besonderen Ausführungsform wird das Gas im Zustrom, der von der Absaugeinrichtung in die Haube gesaugt wird, gekühlt und/oder getrocknet.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform besteht der Zustrom, der von der Absaugeinrichtung in die Haube gesaugt wird, aus einem Inertgas, wie beispielsweise CO2, N2, Ar etc., welches bevorzugt vor der Nutzung getrocknet wird und bevorzugt im Kreis gefahren wird, nachdem es nach dem Durchlauf durch die Absaugeinrichtung von eventuell mitgenommenen reaktiven Komponenten befreit wurde.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Viskosität des niedrigviskosen Monomere aliphatische Diisocyanate enthaltenden Reaktionsmaterials < 500 mPas, bevorzugt < 300 mPas, besonders bevorzugt < 200 mPas und ganz besonders bevorzugt < 100 mPas bei 23°C gemäß DIN EN ISO 2884-1. Aufgrund dieser besonders niedrigen Viskosität kann das Imprägniervolumen eines Tränkebads der Imprägniereinrichtung sehr klein gehalten werden obwohl bevorzugt Umsätze von > 5 kg/h, besonders bevorzugt > 20 kg/h und ganz besonders bevorzugt > 50 kg/h an Reaktionsmaterial erhalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Fasereingangsöffnung soweit wie möglich minimiert. Dies wird bevorzugt dadurch umgesetzt, dass die Fasern vor Einbringung in die Imprägniereinrichtung schon über Rollen und Führungsschienen zusammengefasst sind, so dass die Fasereingangsöffnung < 2000 cm2, bevorzugt < 1000 cm2 und ganz besonders bevorzugt < 500 cm2 umfasst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die durch die Fasereingangsöffnung geführten Fasern durch einen hängenden oder gespannten Textilvorhang geführt, der das Einlass-Gasvolumen weiter reduziert, sowie eine Kontamination der Imprägniereinrichtung mit Staub etc. aus der Umgebung weitgehend verhindert. Dazu kann der Faservorhang bevorzugt statisch aufgeladen sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Faserausgangsöffnung soweit wie möglich minimiert. Dies wird bevorzugt dadurch umgesetzt, dass die Fasern vor Austrag aus der Imprägniereinrichtung schon über Rollen und Führungsschienen zusammengefasst sind, so dass die Faserausgangsöffnung < 500 cm2, bevorzugt < 200 cm2 und ganz besonders bevorzugt < 100 cm2 umfasst. Bevorzugt ist die Faserausgangsöffnung kleiner als die Fasereingangsöffnung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die durch die Faserausgangsöffnung geführten imprägnierten Fasern durch einen hängenden oder gespannten Textilvorhang geführt, der das Einlass-Gasvolumen weiter reduziert sowie ein Kontamination der Imprägniereinrichtung mit Staub etc. aus der Umgebung weitgehend verhindert. Zudem kann ein Großteil überschüssigen Reaktionsmaterials von den imprägnierten Fasern abgestreift und bevorzugt in das Tränkebad oder über einen Zwischenbehälter in die Imprägniereinrichtung zurückgeführt werden.
Es ist unschädlich oder sogar vorteilhaft, wenn ein signifikanter Gasstrom aus der Umgebung durch die Faserausgangsöffnung hindurch abgesaugt wird. Ein Austritt der in die Gasphase übergegangenen Harzedukte kann dadurch sicher verhindert werden. Zudem kann dadurch eine konvektive Kühlung der imprägnierten Fasern erreicht werden. Dies ermöglicht eine unerwünschte Polymerisierung der Harzedukte in dem formgebenden Werkzeug zu verhindern und/oder zu kontrollieren, wodurch wiederum der Monomeranteil in den Harzedukten erhöht werden kann und durch die weiter verringerte Viskosität des Harzes die Benetzung der Fasern noch schneller und noch vollständiger erfolgen kann. Durch die Haube ist es möglich in der Imprägniereinrichtung ein Harz zu verwenden, das aufgrund eines hohen Monomeranteils in den Harzedukten eine besonders niedrige Viskosität aufweist und dadurch die Fasern schneller vollständig benetzen kann, ohne dass die flüchtigen und giftigen Harzedukte Personen schaden können, so dass eine schnelle Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen ermöglicht ist.
Das Harz kann beispielsweise aus separat gelagerten abgeschlossenen Fässern über die Fasereingangsöffnung in die Imprägniereinrichtung gefördert werden kann. Die Haube kann beispielsweise sämtlich stromaufwärts der Imprägniereinrichtung vorgesehenen Komponenten der Pultrusionsmaschine ebenfalls einkapseln, wobei die Haube gegebenenfalls auch mindestens einen Vorratsbehälter, insbesondere abgeschlossenes Fass, einkapseln kann, in dem das der Imprägniereinrichtung zuzuführende Harz gelagert ist. Beispielsweise ist stromaufwärts zur Imprägniereinrichtung eine Stellage mit Faserspindeln und/oder eine Vorformeinrichtung, in der die von den Faserspindeln kommenden Fasern mit einer Matrix, beispielsweise Matten und/oder Fließe, verbunden und/oder miteinander in der definierten Relativlage gelegt, gewirkt und/oder verzwirbelt werden, bevor die Fasern der Imprägniereinrichtung zugeführt werden. Falls nach dem Imprägnieren der Fasern mit dem Harz noch eine gesonderte Härtung der imprägnierten Fasern vorgesehen ist, kann es vorteilhaft sein, wenn die Haube auch ein hierzu vorgesehenes Härtungswerkzeug abdeckt und einkapselt, so dass beim Härten gegebenenfalls zusätzlich verflüchtigte Harzedukte ebenfalls abgesaugt werden können. Vorzugsweise ist ein Ziehwerkzeug, mit dessen Hilfe die Fasern durch die Imprägniereinrichtung gezogen werden und/oder eine Trenneinrichtung, welche die faserverstärkten Kunststoffprofile in der gewünschten Fänge abtrennt, außerhalb der Haube vorgesehen. Bei den ausgehärteten abgekühlten Fasern ist ein signifikanter Austritt von giftigen Harzedukten nicht zu befürchten, so dass eine Abdeckung und Einkapselung des Ziehwerkzeugs und der Trenneinrichtung nicht erforderlich ist. Die Haube und die Absaugeinrichtung können dadurch entsprechend kleiner und kostengünstiger dimensioniert sein. Das Harz mit den monomeren Harzedukten kann aus einem geschlossenen Behälter, beispielsweise ein verschlossenes Fass, in die Imprägniereinrichtung gefördert werden. Hierzu kann eine von dem Behälter gegebenenfalls über eine Fördereinrichtung führende Zuführleitung über die Fasereingangsöffnung in die Haube und in die Imprägniereinrichtung führen. Die Imprägniereinrichtung kann eine Wanne aufweisen, in der sich das Harz sammeln kann und die Fasern durch das Harz gezogen werden können. Insbesondere kann das Harz über eine Düse eingespritzt werden, so dass das Harz unmittelbar auf den Fasern auftreffen und überschüssiges Harz in die Wanne abtropfen kann. Gegebenenfalls kann ein Überlauf und/oder eine Abfuhreinrichtung vorgesehen sein, um nicht an den Fasern haftendes Harz, beispielsweise als Purge-Strom, abzuführen. Die Zuführleitung und/oder eine gegebenenfalls vorgesehene Abfuhrleitung zur Abfuhr von Harz kann mit einer ausreichenden Dichtigkeit durch die Haube hindurchgeführt sein. Da im Gegensatz zu den imprägnierten Fasern eine Relativbewegung der Zuführleitung und der Abfuhrleitung zu der Haube nicht vorgesehen ist, ist eine ausreichende Abdichtung, beispielsweise durch eine stoffschlüssige Verbindung der Zuführleitung und der Abfuhrleitung mit dem Material der Haube an den Durchführungsstellen, leicht möglich.
Es ist möglich, dass die Haube lediglich die Imprägniereinrichtung abdeckt, so dass ein Tränkebad der Imprägniereinrichtung, durch das die Fasern gezogen werden und aus dem die monomeren Harzedukte verdampfen können, von der Haube eingekapselt ist. Die Haube braucht dadurch nicht stromaufwärts zur Imprägniereinrichtung vorgesehene Komponenten der Pultrusionsmaschine, wie beispielsweise eine Stellage mit Faserspindeln und/oder eine Vorformeinrichtung für die Fasern abzudichten. Die Haube und die Absaugeinrichtung kann dadurch entsprechend klein und kostengünstig dimensioniert werden. Hierbei kann vergleichbar zu der Faserausgangsöffnung auch an der Fasereingangsöffnung ein Volumenstrom von der Absaugeinrichtung abgesaugt werden, der einen Austritt gasförmiger Harzedukte über die Fasereingangsöffnung in die Umgebung verhindern kann.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist an der Faserausgangsöffnung ein Überlauf für überschüssiges Reaktivmaterial vorgesehen, der bevorzugt innerhalb der weiteren absaugenden Vorrichtung aufgenommen und wieder in die Imprägniereinrichtung zurückgeführt wird. Alternativ kann das überschüssige Material in einen Zwischenbehälter überführt werden, aus dem es bevorzugt kontinuierlich wieder in die Imprägniereinrichtung dosiert werden kann.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein an der Faserausgangsöffnung vorgesehener Übergang der Imprägniereinrichtung in das Formwerkzeug thermisch soweit entkoppelt, dass rücklaufendes Material maximal eine Temperatur hat, die < 40°C, bevorzugt < 30°C und besonders bevorzugt < 20°C oberhalb der Temperatur des Reaktivmaterials in der Imprägniereinrichtung hegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, ist die Imprägniereinrichtung vom Formgebungs- und Härtungswerkzeug durch einen Isolator wärmegetrennt. Der Isolator ist bevorzugt ein Gas oder ein wenig wärmeleitfähiges Material an dem die Reaktionsmasse zudem schlecht haftet. Bevorzugt ist der Isolator z.B. eine Keramik oder ein mit Fluorpolymer oder Silikonpolymer beschichteter Werkstoff oder ein Fluor oder Silikonpolymer.
Insbesondere ist in Vorschubrichtung hinter der Haube ein formgebendes Werkzeug zum Formen der imprägnierten Fasern zu einem faserverstärkten Kunststoffprofil vorgesehen, wobei die Faserausgangsöffnung der Haube eine Eingangsöffnung und/oder eine Matrize für das formgebende Werkzeug ausbildet. Das formgebende Werkzeug kann sich unmittelbar an der Faserausgangsöffnung der Haube anschließen, so dass die imprägnierten Fasern nur eine möglichst geringe Strecke bis zum formgebenden Werkzeug überwinden müssen. Hierbei kann die Faserausgangsöffnung der Haube bereits geeignet profiliert sein, um als Matrize des formgebenden Werkzeugs zumindest eine Vorformung der imprägnierten Fasern für das in dem formgebenden Werkzeug stattfindende Strangziehverfahren vorzunehmen.
Vorzugsweise ist eine Absaugleistung der Ab saugeinrichtung an der Faserausgangsöffnung und/oder an der Fasereingangsöffnung konzentriert. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass ein Absaugen an einer zu der Faserausgangsöffnung und/oder an der Fasereingangsöffnung versetzten Stelle nicht erforderlich ist, da es für eine Gesundheitsgefährdung durch die gasförmigen Harzedukte nur auf den an der Faserausgangsöffnung und gegebenenfalls zusätzlich an der Fasereingangsöffnung sattfindenden Gasvolumenstrom ankommt. Ein durch Strömungswiderstände verursachter Druckverlust von einer Ansaugstelle der Ab saugeinrichtung bis zur Faserausgangsöffnung und/oder bis zur Fasereingangsöffnung kann minimiert werden. Stattdessen kann möglichst nahe zur Faserausgangsöffnung und/oder zur Fasereingangsöffnung jeweils eine Ansaugstelle der Absaugeinrichtung vorgesehen werden. Hierbei kann zudem berücksichtigt werden, dass durch den niedrigen Druck im Innern der Haube, der insbesondere ein Unterdruck ist, über die gesamte Oberfläche des Harzes Harzedukte durch Verdampfen in die Gasphase übergehen können. Da das Absaugen der Ab saugeinrichtung an der Faserausgangsöffnung und/oder an der Fasereingangsöffnung konzentriert werden kann, stellt sich im Bereich der Faserausgangsöffnung und/oder der Fasereingangsöffnung ein niedrigerer Partialdruck ein, so dass an der übrigen Oberfläche des Harzes aufgrund des zumindest geringfügigen höheren Partialdrucks ein Verdampfen der Harzedukte stärker gehemmt ist.
Besonders bevorzugt ist ein Randdruck der Absaugeinrichtung an der Faserausgangsöffnung und/oder an der Fasereingangsöffnung derart niedrig eingestellt, dass gerade eben ein Volumenstrom aus dem Innern der Haube in die Umgebung über die Fasereingangsöffnung vermieden ist. Ein von der Absaugeinrichtung eingestellter Volumenstrom kann hierzu bei unter Berücksichtigung des jeweiligen Öffnungsquerschnitts der Faserausgangsöffnung beziehungsweise der Fasereingangsöffnung geeignet eingestellt werden. Es ist ausreichend, dass bei dem gewählten Volumenstrom der Absaugeinrichtung ein Volumenstrom von innen nach außen über die Faserausgangsöffnung und/oder die Fasereingangsöffnung sicher so klein ist, dass im umgebenden Volumen die maximale Arbeitsplatzkonzentration eingehalten wird, bevorzugt eine Kontamination mit den flüchtigen Isocyanaten nicht messbar ist. Ein signifikant großer Volumenstrom von außen nach innen über die Faserausgangsöffnung und/oder die Fasereingangsöffnung ist nicht erforderlich. Damit auch noch im Harz gelöste monomere Harzedukte aus den imprägnierten Fasern abgesaugt werden können, kann der Randdruck an dem Faserausgangsöffnung im Vergleich zu dem Randdruck an der Fasereingangsöffnung besonders niedrig eingestellt werden. Dadurch können restliche Harzedukte in den imprägnierten Fasern verdampft und abgesaugt werden, so dass außerhalb der Haube im Wesentlichen keine signifikante Menge der Harzedukte mehr aus den imprägnierten Fasern verdampfen und in die Umgebung gelangen können. Zudem lässt über einen von der Absaugeinrichtung erreichten derartig niedrigen Druck an der Faserausgangsöffnung eine signifikante konvektive Kühlung der imprägnierten Fasern erreichen.
Insbesondere weist die Ab saugeinrichtung einen an der Fasereingangsöffnung und/oder einen an der Faserausgangsöffnung endenden Absaugkanal auf, wobei insbesondere eine Seitenwand des Absaugkanals durch die Haube ausgebildet ist. Dadurch kann die Absaugleistung der Absaugeinrichtung leicht der Fasereingangsöffnung und/oder an der Faserausgangsöffnung konzentriert werden. Hierbei ist es beispielsweise möglich den jeweiligen Absaugkanal durch ein im Querschnitt im Wesentlichen U-förmiges Blech auszubilden, das von innen mit der Haube befestigt, beispielsweise verschweißt, ist. Der Herstellungsaufwand kann dadurch minimiert werden. Der jeweilige Absaugkanal kann zu mindestens einem innerhalb oder außerhalb der Haube angeordneten Gebläse führen, welches den erforderlichen Förderdruck der Absaugeinrichtung aufbauen kann.
Vorzugsweise weist die Absaugeinrichtung einen durch die Haube zu einer, insbesondere als Flüssigkeitsfilter ausgestalteten, Filtereinrichtung zum Abtrennen der gasförmigen Harzedukte führenden Auslasskanal auf. Die Filtereinrichtung kann die in dem Abgas der Absaugeinrichtung enthaltenen dampfförmigen Harzedukte herausfiltern. Insbesondere können die dampfförmigen Harzedukte in einem Flüssigkeitsfilter oder einer Gaswäsche gelöst werden und gegebenenfalls aus dem Abwasser abgetrennt und wiederverwendet werden. In einer besonderen Ausführungsform kann deshalb auch das von den gasförmigen Harzedukten befreite Gasstrom wieder in den Kreislauf rückgeführt werden.
Besonders bevorzugt ist eine Begasungseinrichtung zur Beaufschlagung der Fasereingangsöffnung und/oder der Faserausgangsöffnung mit einem, insbesondere inerten, Schutzgas, insbesondere von außerhalb der Haube vorgesehen. Als Schutzgas kann beispielsweise auch Wasserdampf verwendet werden, das gasförmiges Isocyanat zerstört, bei Isocyanat im flüssigen Zustand so langsam reagieren würde, dass es vor einem signifikanten Umsatz des flüssigen Isocyanats bereits verbraucht wäre. Die Begasungseinrichtung kann außerhalb der Fasereingangsöffnung und/oder der Faserausgangsöffnung einen Überdruck aufbauen, der ein Entweichen dampfförmiger Harzedukte aus der Haube verhindern kann. Zudem kann die Begasungseinrichtung eine zusätzliche Kühlung der imprägnierten Fasern erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der oben beschriebenen Pultrusionsmaschine zum Strangziehen faserverstärkter Kunststoffprofile.
Bei dieser Verwendung enthält das Harz 20 insbesondere ein monomeres Diisocyanat mit einem Dampfdruck >0,001 Pa bei 23°C, bevorzugt mit einem Dampfdruck >0,01 Pa bei 23°C und besonders bevorzugt mit einem Dampfdruck >0,1 Pa bei 23°C.
Bei dieser Verwendung ist es besonders bevorzugt, dass innerhalb des von der Haube 24 abgedeckten Volumens ein Unterdrück gegenüber dem Umgebungsdruck von 5 mbar bis 50 mbar, bevorzugt von 5 mbar bis 12 mbar anliegt.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische perspektivische Ansicht einer vorbekannten Pultrusionsmaschine und Fig. 2: eine schematische Prinzipdarstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Pultrusionsmaschine aus Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Pultrusionsmaschine 10 weist eine Imprägniereinrichtung 12 mit einem zur Umgebung zugänglichen Tränkebad 14 auf, in das mit Hilfe eines Ziehwerkzeugs 44 Fasern 16 von einem Spindel-Rack 46 eingebracht werden können, um die Fasern mit einem aus einer Mischeinheit 48 zugeführten Harz 20 zu benetzen. Die aus dem Tränkebad 14 herausgezogenen und mit Harz 20 benetzten Fasern 16 können über ein formgebendes Werkzeug von einer Kühleinrichtung 50 gekühlt werden und hinter dem Zieh Werkzeug 44 mit Hilfe einer Säge 52 abgelängt werden.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Pultrusionsmaschine 10 weist im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Pultrusionsmaschine 10 eine Imprägniereinrichtung 12 auf, die beispielsweise ein Tränkebad 14 aufweist, das mit einem Harz 20 gefüllt ist. Fasern 16 können in dem Tränkebad 14 der Imprägniereinrichtung 12 gezogen werden, wo die Fasern 16 mit dem Harz 20 benetzt werden und als imprägnierte Fasern 18 das Tränkebad 14 wieder verlassen. Das Tränkebad 14 kann auf einem Maschinenbett 22 aufgesetzt sein. Die Imprägniereinrichtung 12 kann insbesondere als Injektionseinrichtung ausgestaltet sein, bei der über eine Düse das Harz 20, insbesondere auf die in die Imprägniereinrichtung 12 eintretenden Fasern 16, eingespritzt wird.
Im in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist das Harz 20 Harzedukte mit einen hohen Anteil monomerer aliphatischer Diisocyanate auf, wobei die Harzedukte insbesondere einen Monomeranteil in Gew.% von >2%, vorzugsweise >5%, weiter bevorzugt > 10%, besonders bevorzugt >20% und insbesondere >40% aufweist. Die Harzedukte polymerisieren erst in dem Tränkebad 14 der Imprägniereinrichtung 12 und ermöglichen für das Harz 20 eine besonders niedrige Viskosität, die eine schnelle und umfassende Benetzung der Fasern 16 ermöglichen. Die gesundheitsgefährdenden Harzedukte, die in die Gasphase übergegangen sind, können von einer mit dem Maschinenbett 22 gasdicht verbundenen Haube 24 in der Imprägniereinrichtung 12 zurückgehalten werden. Die Haube 24 kann zusammen mit dem Maschinenbett 22 ein Gehäuse für die Imprägniereinrichtung 12 ausbilden, in dem die Imprägniereinrichtung 12 weitgehend eingekapselt ist. Mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 26 können die verdampften monomeren Harzedukte abgesaugt und über einen Auslasskanal 28 einer als Flüssigkeitsfilter ausgestalteten Filtereinrichtung 30 zugeführt werden, wo das Abgas der Ab saugeinrichtung 26 gereinigt und die Harzedukte abgetrennt und gegebenenfalls rückgeführt werden können.
Die Haube 24 weist eine Fasereingangsöffnung 32 auf, über welche die Fasern 16 in die Haube 24 und die Imprägniereinrichtung 12 zugeführt werden können. Zudem weist die Haube 24 eine Faserausgangsöffnung 34 auf, über welche die imprägnierten Fasern 18 aus der Imprägniereinrichtung 12 und der Haube 24 abgeführt werden können. Die Absaugeinrichtung 26 weist jeweils zu der Fasereingangsöffnung 32 und der Faserausgangsöffnung 34 führende Absaugkanäle 36 auf, die beispielsweise durch ein an der Innenseite der Haube 24 aufgeschweißte U-förmiges Blech 38 ausgebildet sind. Die von einem Gebläse 40 der Ab saugeinrichtung 26 bereitgestellte Absaugleistung kann an der Fasereingangsöffnung 32 und der Faserausgangsöffnung 34 konzentriert werden, um einen Austritt der gasförmigen Harzedukte aus der Haube 24 zu vermeiden. Dadurch kann im Bereich der Fasereingangsöffnung 32 und der Faserausgangsöffnung 34 im Vergleich zum übrigen von der Haube 24 eingekapselten Volumen ein besonders geringer Druck erreicht werden, wobei der Druck im Bereich der Faserausgangsöffnung 34 geringer als der Druck im Bereich der Fasereingangsöffnung 32 ist, um die exotherme Reaktionswärme bei der Polymerisierung der monomeren Harzedukte abzuführen und eine signifikante Kühlung der imprägnierten Fasern 18 zu erreichen. Die Haube 24 kann zudem eine Fasereingangsöffnung 42 aufweisen, über die das aus einem abgeschlossenen Behälter geförderte Harz 20 in die Imprägniereinrichtung 12 gefördert werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Pultrusionsmaschine zum Strangziehen faserverstärkter Kunststoffprofile, mit einer Imprägniereinrichtung (12) zum Imprägnieren von Fasern (16) mit einem Harz (20), wobei das Harz (20) ein gesundheitsschädliches und zumindest teilweise in die Gasphase übergehendes Harzedukt, insbesondere ein monomeres aliphatisches oder aromatisches Diisocyanat, aufweist, einer die Imprägniereinrichtung (12) abdeckenden Haube (24) zur Abdichtung der Imprägniereinrichtung (12) gegenüber einer Umgebung, wobei die Haube (24) eine Fasereingangsöffnung (32) zum Zuführen der Fasern (16) und eine Faserausgangsöffnung (34) zum Abführen der imprägnierten Fasern (18) aufweist, und einer Absaugeinrichtung (26) zum Absaugen gasförmigen Harzedukts an der Fasereingangsöffnung (32) und/oder an der Faserausgangsöffnung (34), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des von der Haube 24 abgedeckten Volumens ein Unterdrück gegenüber dem Umgebungsdruck von 5 mbar bis 50 mbar anliegt.
2. Pultrusionsmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in Vorschubrichtung hinter der Haube (24) ein formgebendes Werkzeug zum Formen der imprägnierten Fasern (18) zu einem faserverstärkten Kunststoffprofil vorgesehen ist, wobei die Faserausgangsöffnung (34) der Haube (24) eine Eingangsöffnung und/oder eine Matrize für das formgebende Werkzeug ausbildet.
3. Pultrusionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Absaugleistung der Absaugeinrichtung (26) an der Faserausgangsöffnung (34) und/oder an der Fasereingangsöffnung (32) konzentriert ist.
4. Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Randdruck der Absaugeinrichtung an der Faserausgangsöffnung (34) und/oder an der Fasereingangsöffnung (32) derart niedrig eingestellt, dass gerade eben ein Volumenstrom aus dem Innern der Haube (24) in die Umgebung über die Faserausgangsöffnung (34) und/oder die Fasereingangsöffnung (32) vermieden ist.
5. Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzugsleistung der Ab saugeinrichtung (26) einen Gasdurchsatz von < 2000 m3/h, insbesondere < 1500 m3/h, vorzugsweise < 1000 m3/h und besonders bevorzugt < 500 m3/h erzeugt.
6. Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniereinrichtung (12) ausgelegt ist einen Umsatz von > 5 kg/h, vorzugsweise > 20 kg/h und besonders bevorzugt > 50 kg/h an Reaktionsmaterial zu erhalten.
7. Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das von der Haube (24) abgedeckte Volumen < 10 m3, insbesondere < 5 m3 und bevorzugt < 2 m3 und besonders bevorzugt < 1 m3 beträgt.
8. Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugeinrichtung (26) einen an der Fasereingangsöffnung (32) und/oder einen an der Faserausgangsöffnung (34) endenden Absaugkanal (36) aufweist, wobei insbesondere eine Seitenwand des Absaugkanals (36) durch die Haube (24) ausgebildet ist.
9. Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugeinrichtung (26) einen durch die Haube (24) zu einer, insbesondere als Flüssigkeitsfilter ausgestalteten, Filtereinrichtung (30) zum Abtrennen der gasförmigen Harzedukte führenden Auslasskanal (28) aufweist.
10. Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass eine Begasungseinrichtung zur Beaufschlagung der Fasereingangsöffnung (32) und/oder der Faserausgangsöffnung (34) mit einem, insbesondere inerten, Schutzgas, insbesondere von außerhalb der Haube (24) vorgesehen ist.
11. Verwendung der Pultrusionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Strangziehen faserverstärkter Kunststoffprofile.
12. Die Verwendung gemäß Anspruch 11, wobei das Harz (20) ein monomeres Diisocyanat mit einem Dampfdruck >0,001 Pa bei 23°C enthält.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2002016482A2 (en) * 2000-08-18 2002-02-28 Huntsman International Llc One component thermoset polyurethane system
DE602005005714T2 (de) 2004-07-27 2008-07-17 Hexcel Composites Gmbh Kontinuierliches pultrusionsverfahren zur herstellung von hochleistungs-strukturprofilen
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