WO2021162574A1 - Термопластичный препрег и способ его изготовления - Google Patents
Термопластичный препрег и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- WO2021162574A1 WO2021162574A1 PCT/RU2020/000090 RU2020000090W WO2021162574A1 WO 2021162574 A1 WO2021162574 A1 WO 2021162574A1 RU 2020000090 W RU2020000090 W RU 2020000090W WO 2021162574 A1 WO2021162574 A1 WO 2021162574A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- prepreg
- thermoplastic
- polymer material
- thermoplastic polymer
- fibers
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
- B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
- B29C48/30—Extrusion nozzles or dies
- B29C48/32—Extrusion nozzles or dies with annular openings, e.g. for forming tubular articles
- B29C48/34—Cross-head annular extrusion nozzles, i.e. for simultaneously receiving moulding material and the preform to be coated
-
- 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
- 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
Definitions
- the claimed invention relates to a method for producing a reinforced thermoplastic composite material - prepreg used for the manufacture of parts and structures from composite materials for use in aviation, rocket and space technology, wind energy, medicine, shipbuilding, automotive and other industries.
- thermosetting materials are used as a polymer matrix, the most popular is epoxy resin.
- they have disadvantages such as: the multicomponent nature of binders, their limited viability, the duration of the curing process, the multi-stage processing process, insufficient reproducibility of the properties of materials, the complexity of the disposal of scrap and processing waste, the presence of solvents during their processing.
- thermoplastic materials such as: polyethylene, polylachyde, polycarbnate, polyimide, polyetheretherketone, polyacetal, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyetherimide, polypropylene, polyformaldehyde, polyamide, polystyrene, polyethylene terephthalate or their polyethylene terephthalate.
- thermoplastic matrix The main design advantages of composites with a thermoplastic matrix are associated with the high (about 100%) deformability of thermoplastics and the viscous nature of their fracture.
- fracture toughness coefficient which characterizes the resistance of a composite to delamination upon impact
- composites with a thermoplastic matrix exceed composites with an epoxy matrix by more than 6 times, and in terms of compressive strength after impact - more than 2 times (see [3] Handbook of Composites. Second Edition. Edited by ST. Peters. London, Chapman and Hall, 1998).
- thermoplastic binders in comparison with thermosetting have a higher melt viscosity by 1-2 orders of magnitude; this leads to the fact that the filler is not wetted by polymer melts.
- Relatively uniform alignment of the thermoplastic and the reinforcing tape requires a relatively high temperature and a long time, as well as high pressure, which can damage the fibers and produce a material with an uneven internal structure, which reduces the mechanical characteristics of the material.
- the main prepreg manufacturing technologies Impregnating in the melt, Impregnating in solution, Powder, Film, Fiber.
- Each of the technologies has its own disadvantages - inapplicability for a specific thermoplastic, quality and stability of material characteristics, increased energy and labor costs, etc.
- Today the most widespread and effective technology is fiber impregnation with polymer melt from an extruder.
- thermoplastic prepreg in which the fibers are impregnated with a polymer from an extruder by rolling through calender rolls
- European patent EP2548720A1, publ. 18.07.2011 European patent EP2548720A1, publ. 18.07.2011.
- the disadvantages of this method are the high pressure on the rolls to ensure high-quality impregnation, which can damage the fibers, reducing the mechanical properties of the material and disrupting its structure.
- RF patent RU 2433913 (publ. 20.11.2011) describes a method of manufacturing forming heads for the production of two-layer pipes and hollow products by extrusion.
- the technical result of the invention is to simplify the design of the extrusion head, increase productivity and improve the quality of the pipes produced.
- the technical result is achieved in an extrusion head for the manufacture of polymer two-layer pipes using ultrasonic vibrations.
- thermoplastic prepreg containing continuous and long fibers.
- the disadvantages of this installation are the complexity of the design of the extrusion head and regulation of the flow rate of the melt in each channel. Also, the impact on the fiber is carried out only mechanically, by means of friction against the contact surfaces, which leads to damage to the fiber and reduces the quality of the produced material.
- the invention is aimed at solving the problem of simplifying the design of the installation for the manufacture of thermoplastic prepreg, increasing productivity and improving the quality of the produced prepreg by reducing the viscosity of the polymer melt, using the processing of thermoplastic with ultrasound.
- the problem solved by the claimed invention is the manufacture of a thermoplastic prepreg in a more efficient way and with high physical and mechanical characteristics for its further use for the manufacture of composite products.
- the technical result of the claimed invention is to improve the physical and mechanical properties of the thermoplastic prepreg while reducing the cost and time of manufacturing products.
- thermoplastic prepreg including the following steps:
- thermoplastic prepreg by extrusion of at least one flattened bundle of continuous fibers of a thermoplastic polymer material in a viscous state (thermoplastic polymer material heated to a viscous aggregate state) in an impregnating die for molding a thermoplastic prepreg, while before feeding the thermoplastic polymer material, located in a viscous-flow state, into an impregnating die, it is subjected to ultrasonic cavitation in an ultrasonic (US) transducer;
- US ultrasonic
- thermoplastic prepreg
- the stretching of the above-mentioned bundles of continuous fibers is carried out at a tension of 10 to 100 N.
- said flattened continuous fiber bundles are oxidized and / or sizing is applied in a fiber processing system.
- the said highly elastic thermoplastic polymer material is metered-in by means of a weight control system for the flow rate of the thermoplastic polymer material granules.
- Ultrasonic cavitation is carried out in an ultrasonic vibrating installation, which consists of a generator, magnetostrictive transducer, emitter, made of titanium alloy, with a fixed frequency of 18.0-24.0 kHz, an amplitude of 5-50 microns, a radiation intensity of at least 10 W / cm 2 and a converter cooling system.
- thermoplastic prepreg obtained by the above-described method contains at least one flattened bundle of untwisted continuous fibers embedded in a matrix of thermoplastic polymer material, while the thermoplastic prepreg has a width of 6 to 1000 mm, a thickness of 0.05 to 0.3 mm and length up to 5000 meters or more, with the content of the matrix in it in the amount of 30-70 May. %.
- the thermoplastic prepreg contains from 1 to 200 bundles (or more) of untwisted fibers, each bundle of fibers contains from 1000 to 48000 filaments of fiber with a diameter of 5-20 microns.
- thermoplastic polymer material is polyethylene, polylactide, polycarbnate, polyimide, polyetheretherketone, polyacetal, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyetherimide, polypropylene, polyamide, polyformaldehyde, polystyrene, polyethylene terephthalate, or copolymers thereof.
- Continuous fibers are functional fibers made in the form of reinforcing or optical and / or electrically conductive reinforcing fibers.
- Continuous fibers are at least one fiber selected from the group of carbon, glass, aramid, basalt, boron, metal.
- the prepreg additionally contains short and / or long chopped fibers in the amount of 1-50 May. % by weight of prepreg.
- thermoplastic prepreg containing a creel, on which is installed at least one reel with a roving (bundle) of untwisted continuous fibers, a fiber flattening system, an extruder for thermoplastic polymer materials, an ultrasonic device processing of a thermoplastic polymer material, the impregnating die in which is carried out - forming a thermoplastic prepreg by extrusion of at least one bundle of flattened continuous fiber and a highly elastic thermoplastic polymer material, cooling rolls, a prepreg size control system, a finished prepreg receiving unit on which at least , one take-up spool, driven by a drive, which provides pulling of the fiber bundles through all the elements of the installation.
- FIG. 1 Installation diagram for the manufacture of thermoplastic prepreg.
- FIG. 2 Diagram of a device for ultrasonic processing of a thermoplastic polymer material.
- FIG. 3 Sectional view of a device for ultrasonic treatment of a thermoplastic polymer material and an impregnation die.
- one or more (up to 200) coils (1) with an initial bundle of untwisted continuous fibers (14) are installed on the creel.
- tensioners are installed in the creel using spring braking, magnetic powder brake drum or electric motors.
- the number of coils depends on the number of simultaneously impregnated bundles of untwisted continuous reinforcing fibers (14) required to achieve the required width of the prepreg tape obtained after flattening bundles of untwisted continuous reinforcing fibers (14).
- the system (2) for monitoring the tension of bundles of untwisted continuous reinforcing fibers (14) shows the current tension value and maintains a stable, specified tension, working in conjunction with the bobbin tensioners.
- Each bundle of untwisted continuous reinforcing fibers contains from 1000 to 48000 filaments of fiber with a diameter of 5-20 microns.
- Continuous fibers are functional fibers made in the form of reinforcing or optical and / or electrically conductive reinforcing fibers.
- Continuous fibers are at least one fiber selected from the group of carbon, glass, aramid, basalt, boron, metal.
- bundles of untwisted continuous reinforcing fibers (14) with a tension of 10-100 N enter the flattening system (3), where they are flattened by pulling through several fixed rods (from 3 to 7).
- the degree of tension is maintained by a system (2) for controlling the tension of bundles of untwisted continuous reinforcing fibers (14).
- a standard 12K carbon fiber bundle before flattening is 5 mm wide, after flattening its width is 8-12 mm. Accordingly, the flattening allows to reduce the thickness of the bundle, which subsequently increases the contact area with the polymer in the impregnating die 9.
- the fibers are held under a preset and electronically automatically maintained tension from 10 to 100 N for each fiber bundle.
- flat bundles of continuous reinforcing fibers enter the chamber (4) for preparing bundles of untwisted continuous reinforcing fibers (14), in which, to increase adhesion between the surface of untwisted continuous reinforcing fibers in a bundle and with a matrix of thermoplastic polymer material, flat bundles of untwisted continuous reinforcing fibers (14) are subjected to oxidation using hot air at a temperature higher than the temperature of the impregnating die (9).
- sizing agents special chemicals previously applied to the fiber
- sizing agents are additionally used that are compatible with the polymers used, which enter into chemical reactions both with the fiber surface and with the polymer, thus forming a chemical bond between the fiber and the matrix, or combine the processes of oxidation and application of finishing agents.
- sizing agents are additionally used (special chemicals previously applied to the fiber), which enter into chemical reactions both with the fiber surface and with the polymer, thus forming a chemical bond between the fiber and the matrix, or combine oxidation and applying dressings.
- the flattened bundles of continuous reinforcing fibers (14) enter an impregnation die (9) of the extruder (6), where they are impregnated with a thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state.
- the extruder (6) is fed with granules of thermoplastic polymer material (24), which are heated in it to a viscous state.
- thermoplastic polymer material (24) which is in a viscous-flow state, is fed to ultrasonic cavitation in the ultrasonic emitter (20) using a screw (25) through the channel (23) in the body (21) of the ultrasonic emitter (20).
- systems (5) are used for weight control of the flow rate of thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state, which sets the rotation speed of the screw (25) for accurate dosing of the quantitative content of thermoplastic a polymer material (24) in a viscous-flowing state.
- thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state in the finished prepreg is set in the range from 30% to 70%. Additionally, the uniformity of the supply of thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state is monitored using a pressure sensor (7).
- thermoplastic polymer material is polyethylene, polylachyde, polycarbnate, polyimide, polyetheretherketone, polyacetal, polyphenylene sulfide, polysulfone, polyetherimide, polypropylene, polyamide, polyformaldehyde, polystyrene, polyethylene terephthalate, or copolymers thereof.
- thermoplastic polymer material (24) which is in a viscous-flow state, short and / or long chopped fibers are fed from the extruder (6), if necessary, in the range from 1% to 50% of the prepreg weight.
- thermoplastic polymer material (24) which is in a viscous-flow state, passes through an ultrasonic emitter (20), the polymer mass is affected by superimposed ultrasonic vibrations emanating from a magnetostrictive emitter with a fixed frequency from 18.0 to 24.0 kHz and an amplitude of 5-50 microns.
- the radiation intensity is at least 10 W / cm 2 .
- Ultrasonic cavitation is carried out in an ultrasonic installation (8) consists of a generator (not shown in the images), a magnetostrictive ultrasonic transducer (22), a cylindrical ultrasonic emitter (20) made of a titanium alloy, and a transformer cooling system.
- thermoplastic polymer material (24) which is in a viscous-flow state, through a gap of 1 to 2 mm between the ultrasonic emitter 20 and the body of the ultrasonic emitter 21, enters the cavitation zone (15), where ultrasonic radiation acts on the polymer. , as a result of which its viscosity decreases.
- thermoplastic polymer material (24) being in a viscous-flow state, enters the impregnating die (9), where the thermoplastic prepreg is formed by extrusion of bundles of flat continuous reinforcing fibers and thermoplastic polymer material (24) in the viscous-flow condition, through a gap of 0.5-3 mm between the lower (18) and upper (17) parts of the impregnating die (9), while the upper (17) part of the impregnating die (9) is removable.
- the inner surfaces of these parts of the impregnating die (9) can be made flat, wavy, zigzag or any other shape with contact surfaces, which facilitates impregnation, but is not a key point in this case.
- thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state is fed into the impregnation die (9) by rotating the screw (25) of the extruder (6), while the thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state passes through the channel (23 ) in the housing (21) of the ultrasonic emitter (23) and along the gap between the ultrasonic emitter (20) and the housing (21), the ultrasonic emitter (23) enters the cavitation zone (15), and then into the impregnating die (9).
- the temperature inside the housing (21) of the ultrasonic emitter (23) and in the impregnating die (9) should be 30-70 ° C higher than the melting temperature of the thermoplastic polymer material (24), which is maintained using electric heaters.
- the temperature in the ultrasonic transducer (22) is maintained at a level of 20-50 ° C using water cooling.
- a retaining ring (19) is installed through the housing (21) of the ultrasonic emitter (20).
- the molded thermoplastic prepreg is pulled through the cooling rolls (10) and through the dimensional control system (11), the finished thermoplastic prepreg is wound onto a driven drum (12) at a speed of 1 to 40 meters per minute.
- the operating temperature of the extruder, the speed of rotation of the screw of the extruder, the tension force of the fibers, the speed of movement of the fibers are set and controlled using an electronic control panel (13).
- the claimed thermoplastic prepreg is at least one flattened bundle of untwisted continuous fibers embedded in a matrix of thermoplastic polymer material, while the thermoplastic prepreg has a width of 6 to 1000 mm and a thickness of 0.05 to 0.3 mm, with the matrix content in him in the amount of May 30-70. %.
- Thermoplastic prepreg contains from 1 to 200 bundles (or more) of untwisted continuous fibers.
- the thickness and width of the thermoplastic prepreg depends on the number of bundles in it. Table 1 shows the confirmation of the achievement of the technical result in the manufacture of the claimed thermoplastic prepreg in comparison with the prototype, when it contains a thermoplastic polymer material of 50 May. % and fibers 50 May. %.
- the presented results are relevant: for different thicknesses and widths of thermoplastic prepreg; for different content of thermoplastic polymer material in the claimed range, as well as for different types of thermoplastic polymer material and fibers disclosed in the claimed invention.
- the impregnating die (9) was created using an innovative approach, which is based on the principle of using ultrasonic action to reduce the viscosity of a thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state and create local areas of high pressure on the fiber surface, with the simultaneous appearance of the cavitation effect. Also, ultrasonic action with the effect of cavitation made it possible to improve other characteristics of a thermoplastic polymer material (24) in a viscous-flow state, such as the molecular weight distribution and the degree of homogenization. Due to this there is a uniform and complete impregnation of the fiber with a high-viscosity thermoplastic polymer material (24). Reducing the cost and time of manufacturing products is achieved by reducing the viscosity of the polymer material and, therefore, provides an increase in its impregnation ability.
- thermoplastic prepreg from any available thermoplastics with high speed, quality and repeatability of properties.
- the described system for the production of thermoplastic prepreg makes it possible to produce a material with a minimum number of pores and voids, with high physical and mechanical characteristics.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
Abstract
Заявленное изобретение относится к способу получения армированного термопластичного композиционного материала - препрега, применяемого в авиационной, ракетно-космической технике, ветроэнергетике, медицине, судостроении, автомобилестроении и других областях промышленности. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение физико-механических свойств термопластичного препрега при снижении затрат и времени изготовления изделий. Термопластичный препрег содержит по крайней мере один площенный пучок некрученых непрерывных волокон, внедренных в матрицу из термопластичного полимерного материала. При этом термопластичный препрег имеет ширину от 6 до 1000 мм и толщину от 0,05 до 0,3 мм, при содержании матрицы в нем в количестве 30-70 мас. %.
Description
ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЙ ПРЕПРЕГ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Область техники
Заявленное изобретение относится к способу получения армированного термопластичного композиционного материала - препрега, применяемого для изготовления деталей и конструкций из композитных материалов для применения в авиационной, ракетно-космической технике, ветроэнергетике, медицине, судостроении, автомобилестроении и других областях промышленности.
Уровень техники
В основном, в качестве полимерной матрицы используются термореактивные материалы, наиболее популярна эпоксидная смола. Однако у них есть недостатки такие как: многокомпонентность связующих, их ограниченная жизнеспособность, длительность процесса отверждения, многооперационность процесса переработки, недостаточная воспроизводимость свойств материалов, сложность утилизации брака и отходов переработки, наличие растворителей при их переработке. Эти недостатки стимулировали поиски использования в качестве связующих термопластичных материалов, таких как: полиэтилен, полилакгид, поликарбнат, полиимид, полиэфирэфиркетон, полиацеталь, полифениленсульфид, полисульфон, полиэфиримид, полипропилен, полиформальдегид, полиамид, полистирол, полиэтилентерафталат или их сополимеров.
Основные конструктивные преимущества композитов с термопластичной матрицей связаны с высокой (порядка 100%) деформативностью термопластов и вязким характером их разрушения. По коэффициенту вязкости разрушения, характеризующему сопротивляемость композита расслоению при ударе, композиты с термопластичной матрицей превышают композиты с эпоксидной матрицей более чем в 6 раз, а по прочности при сжатии после удара - более чем в 2 раза (см. [3] Handbook of Composites. Second Edition. Edited by ST. Peters. London, Chapman and Hall, 1998).
Однако термопластичные связующие по сравнению с термореактивными имеют на 1-2 порядка большую вязкость расплава; это приводит к тому, что наполнитель не смачивается расплавами полимеров. Для относительно равномерного совмещения термопластика и армирующей ленты требуется сравнительно высокая температура и большое время, а также высокое давление, под действием которого возможно повреждение волокон и получение материала с неравномерной внутренней структурой, что снижает механические характеристики материала.
Основные технологии изготовления препрега: Пропиточная в расплаве, Пропиточная в растворе, Порошковая, Пленочная, Волоконная. У каждой из технологий есть свои недостатки - неприменимость для конкретного термопластика, качество и
стабильность характеристик материала, повышенные энерго и трудозатраты и пр. На сегодняшний день наиболее распространённая и эффективная технология это пропитка волокна расплавом полимера из экструдера.
Так же известен способ снижения вязкости жидких и пластичных материалов с помощью ультразвукового воздействия. Данный метод используется для улучшения пропитки волокна эпоксидными связующими и для увеличения производительности и повышения качества при производстве изделий из термопластов методом экструзии.
Известен способ получения термопластичного препрега, в котором волокна пропитываются полимером из экструдера с помощью прокатки через каландровые валы (Европейский патент ЕР2548720А1, опубл. 18.07.2011). Недостатками этого метода является большое давление на валах, для обеспечения качественной пропитки, которое может повреждать волокна, снижая механические свойства материала и нарушать его структуру.
В патенте РФ 2224649 (опубл. 27.02.2004) описано устройство пропитки волокнистых наполнителей различными полимерными связующими для использования в производстве изделий из волокнистых композиционных материалов (стеклопластиков, органопластиков, углепластиков). Показано улучшение качества пропитки с помощью ультразвукового воздействия, однако данным способом возможна пропитка только низковязкими связующими (эпоксидной, полиэфирной смолами и др.), но не термопластами.
В патенте РФ RU 2433913 (опубл. 20.11.2011) описан способ изготовления формующих головок для производства двухслойных труб и полых изделий методом экструзии. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции экструзионной головки, повышение производительности и улучшение качества выпускаемых труб. Технический результат достигается в экструзионной головке для изготовления полимерных двухслойных труб с помощью применения ультразвуковых колебаний.
Наиболее близкий аналог описан в патенте РФ RU 2573674, опубл. 27.01.2016. В указанном патенте описан термопластичный препрег, содержащий непрерывные и длинные волокна. Недостатками данной установки являются сложность конструкции экструзионной головки и регулирования расхода расплава в каждом канале. Также воздействие на волокно осуществляется только механическим способом, посредством трения о контактные поверхности, что ведет к повреждению волокна и снижает качество выпускаемого материала.
Изобретение направлено на решение задачи упрощения конструкции установки для изготовления термопластичного препрега, повышения производительности и улучшения качества выпускаемого препрега за счет снижения вязкости расплава полимера, с помощью обработки термопластика ультразвуком.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является изготовление термопластичного препрега более эффективным способом и с высокими физико- механическими характеристиками для дальнейшего его использования для изготовления композитных изделий.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение физико- механических свойств термопластичного препрега при снижении затрат и времени изготовления изделий.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления термопластичного препрега, включающий следующие этапы:
- площение по крайней мере одного пучка некрученых непрерывных волокон путем его протягивания через систему площения волокна;
- формование термопластичного препрега путем экструзии по крайней мере одного площенного пучка непрерывных волокон термопластичного полимерного материала, находящегося в вязкотекучем состоянии (термопластичный полимерный материал, нагретый до вязкотекучего агрегатного состояния) в пропиточной фильере для формования термопластичного препрега, при этом перед подачей термопластичного полимерного материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, в пропиточную фильеру, его подвергают воздействию ультразвуковой кавитации в ультразвуковом (УЗ) излучателе;
- охлаждение термопластичного препрега.
Протягивание упомянутых пучков непрерывных волокон осуществляют при их натяжении от 10 до 100 Н.
Перед пропиточной фильерой упомянутые площенные пучки непрерывных волокон подвергают окислению и/или осуществляют нанесения аппретов в системе обработки волокна.
Упомянутый высокоэластичный термопластичный полимерный материал подают дозированно с помощью системы весового контроля расхода гранул термопластичного полимерного материала.
Ультразвуковую кавитацию осуществляют в УЗ колебательной установке, которая состоит из генератора, магнитострикционного преобразователя, излучателя,
выполненного из титанового сплава, с фиксированной частотой 18,0-24,0 кГц, амплитудой 5-50 мкм, интенсивностью излучения не менее 10 Вт/см2 и системы охлаждения преобразователя.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что термопластичный препрег, полученный вышеописанным способом, содержит по крайней мере один площенный пучок некрученых непрерывных волокон, внедренных в матрицу из термопластичного полимерного материала, при этом термопластичный препрег имеет ширину от 6 до 1000 мм, толщину от 0,05 до 0,3 мм и длину до 5000 метров и более, при содержании матрицы в нем в количестве 30-70 мае. %. При этом термопластичный препрег содержит от 1 до 200 пучков (и более) некрученых волокон, каждый пучок волокон содержит от 1000 до 48000 элементарных нитей волокна диаметром 5-20 мкм.
Термопластичный полимерный материал представляет собой полиэтилен, полилактид, поликарбнат, полиимид, полиэфирэфиркетон, полиацеталь, полифениленсульфид, полисульфон, полиэфиримид, полипропилен, полиамид, полиформальдегид, полистирол, полиэтилентерафталат или их сополимеры.
Непрерывные волокна представляют собой функциональные волокна, выполненные в виде армирующих или оптических и/или электропроводящих армирующих волокон.
Непрерывные волокна представляют собой по крайней мере одно волокно, выбранное из группы углеродное, стеклянное, арамидное, базальтовое, борное, металлическое.
Препрег дополнительно содержит короткие и/или длинные рубленные волокна в количестве 1-50 мае. % от массы препрега.
Технический результат достигается также за счет того, что в установке для изготовления термопластичного препрега, содержащей шпулярник, на который установлена, по меньшей мере, одна катушка с ровингом (пучком) некрученых непрерывных волокон, систему площения волокна, экструдер для термопластических полимерных материалов, устройство ультразвуковой обработки термопластического полимерного материала, пропиточную фильеру в которой осуществляется - формование термопластичного препрега путем экструзии по крайней мере одного пучка площенного непрерывного волокна и высокоэластичного термопластичного полимерного материала, валы охлаждения, систему контроля размеров препрега, блок приема готового препрега, на который установлена, по меньшей мере, одна приемная катушка, приводимая в движение приводом, обеспечивающим протяжку пучков волокна через все элементы установки.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Схема установки для изготовления термопластичного препрега.
Фиг. 2 - Схема устройства для ультразвуковой обработки термопластичного полимерного материала.
Фиг. 3 - Сечение устройства для ультразвуковой обработки термопластичного полимерного материала и пропиточной фильеры.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - катушка с пучком некрученых непрерывных армирующих волокон; 2 - система контроля натяжения пучков некрученых непрерывных армирующих волокон; 3 - система площения пучков некрученых непрерывных армирующих волокон; 4 - камера подготовки пучков некрученых непрерывных армирующих волокон; 5 - весовой контроль расхода термопластичного полимерного материала; 6 - экструдер; 7 - датчик давления расплава; 8 - УЗ установка; 9 - пропиточная фильера; 10 - охлаждающие валы; 11 - система контроля размеров; 12 - приемный барабан с приводом; 13 - пульт управления; 14 - пучок некрученых непрерывных армирующих волокон; 15 - зона кавитации; 16 - пропиточная камера; 17 - верхняя часть фильеры; 18 - нижняя часть фильеры; 19 -стопорное кольцо; 20 - УЗ излучатель; 21 - корпус УЗ излучателя; 22 - УЗ преобразователь; 23 - канал в корпусе УЗ излучателя; 24 - высокоэластичный термопластичного материал; 25 - шнек экструдера.
Осуществление изобретения
В соответствии с Фиг. 1 , на шпулярник устанавливают одну или несколько (до 200) катушек (1) с исходным пучком некрученых непрерывных волокон (14). Для натяжения пучков некрученых непрерывных волокон при отпуске с катушек, в шпулярнике устанавливают натяжители с использованием пружинного подтормаживания, магнитно- порошкового тормозного барабана или электродвигателей. Число катушек зависит от числа одновременно пропитываемых пучков некрученых непрерывных армирующих волокон (14), необходимых для достижения необходимой ширины препреговой ленты, получаемой после площения пучков некрученых непрерывных армирующих волокон (14). Система (2) контроля натяжения пучков некрученых непрерывных армирующих волокон (14) показывает текущее значение натяжения и поддерживает стабильное, заданное натяжение, работая совместно с натяжителями катушек. Каждый пучок некрученых непрерывных армирующих волокон содержит от 1000 до 48000 элементарных нитей волокна диаметром 5-20 мкм.
Непрерывные волокна представляют собой функциональные волокна, выполненные в виде армирующих или оптических и/или электропроводящих армирующих волокон.
Непрерывные волокна представляют собой по крайней мере одно волокно, выбранное из группы углеродное, стеклянное, арамидное, базальтовое, борное, металлическое.
При размотке катушки (1) пучки некрученых непрерывных армирующих волокон (14) с натяжением 10-100 Н поступают в систему (3) площения, где их подвергают площению путем протягивания через несколько неподвижных стержней (от 3 до 7). Степень натяжения поддерживается системой (2) контроля натяжения пучков некрученых непрерывных армирующих волокон (14). Например, стандартный пучок углеволокна 12К до площения имеет ширину 5 мм, после площение его ширина составляет 8-12 мм. Соответственно, площение позволяет уменьшить толщину пучка, что в последствии увеличивает площадь контакта с полимером в пропиточной фильере 9. Для поддержания стабильной ширины площения, волокна держат под заданным и автоматически поддерживаемым электроникой натяжением от 10 до 100 Н на каждый пучок волокон.
Из системы (3) площения пучков некрученых непрерывных армирующих волокон (14), площенные пучки непрерывных армирующих волокон поступают в камеру (4) подготовки пучков некрученых непрерывных армирующих волокон (14), в которой для повышения адгезии между поверхностью некрученых непрерывных армирующих волокон в пучке и матрицей из термопластичного полимерного материала, площеные пучки некрученых непрерывных армирующих волокон (14) подвергают окислению с помощью горячего воздуха с температурой выше, чем температура пропиточной фильеры (9). Также для улучшения адгезии дополнительно используют аппреты (предварительно нанесенные на волокно специальные химические вещества), совместимые с используемыми полимерами, которые вступают в химические реакции как с поверхностью волокна, так и с полимером, образуя, таким образом, химическую связь между волокном и матрицей, либо совмещают процессы окисления и нанесения аппретов.
Так же для улучшения адгезии дополнительно используют аппреты (предварительно нанесенные на волокно специальные химические вещества), которые вступают в химические реакции как с поверхностью волокна, так и с полимером, образуя, таким образом, химическую связь между волокном и матрицей, либо совмещают процессы окисления и нанесения аппретов.
Затем из системы (3) площения пучков некрученых непрерывных армирующих волокон (14), площенные пучки непрерывных армирующих волокон (14) поступают в
пропиточную фильеру (9) экструдера (6), где осуществляется их пропитка термопластичным полимерным материалом (24), находящимся в вязкотекучем состоянии. В экструдер (6) подают гранулы термопластичного полимерного материала (24), которые нагревают в нем до вязкотекучего состояния. Из экструдера (6) термопластичный полимерный материал (24), находящийся в вязкотекучем состоянии, подают на ультразвуковую кавитацию в УЗ излучатель (20) при помощи шнека (25) через канал (23) в корпусе (21) УЗ излучателя (20). Для точного дозирования количества термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, применяют системы (5) весового контроля расхода термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, которая задает обороты вращения шнека (25) для точного дозирования количественного содержания термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии. Количественное содержание термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, в готовом препреге задают в пределах от 30 % до 70 %. Дополнительно контролируют равномерность подачи термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, с помощью датчика давления (7).
Термопластичный полимерный материал представляет собой полиэтилен, полилакгид, поликарбнат, полиимид, полиэфирэфиркетон, полиацеталь, полифениленсульфид, полисульфон, полиэфиримид, полипропилен, полиамид, полиформальдегид, полистирол, полиэтилентерафталат или их сополимеры.
Дополнительно вместе термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, из экструдера (6), при необходимости подают короткие и/или длинные рубленные волокна в пределах от 1 % до 50% от массы препрега.
При прохождении термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, через УЗ излучатель (20), на массу полимера воздействуют наложенные ультразвуковые колебания, исходящие от магнитострикционного излучателя с фиксированной частотой от 18,0 до 24,0 кГц и амплитудой 5-50 мкм. Интенсивность излучения составляет не менее 10 Вт/см2.
Ультразвуковую кавитацию осуществляют в УЗ установке (8) состоит из генератора (нет на изображениях), магнитострикционного УЗ преобразователя (22), УЗ излучателя (20) цилиндрической формы выполненного из титанового сплава, системы охлаждения п реобразовател я .
Из УЗ излучателя (20) термопластичный полимерный материал (24), находящийся в вязкотекучем состоянии, по зазору размером от 1 до 2 мм между УЗ излучателем 20 и корпусом УЗ излучателя 21 поступает в зону кавитации (15), где происходит воздействие УЗ излучения на полимер, в результате которого снижается его вязкость.
Из зоны кавитации (15), термопластичный полимерный материал (24), находящийся в вязкотекучем состоянии, поступает в пропиточную фильеру (9), где осуществляют формование термопластичного препрега путем экструзии пучков площеных непрерывных армирующих волокон и термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, через зазор 0,5-3 мм между нижней (18) и верхней (17) частями пропиточной фильеры (9), при этом верхняя (17) часть пропиточной фильеры (9) является съемной. Внутренние поверхности указанных частей пропиточной фильеры (9) могут быть выполнены плоскими, волнообразными, зигзагообразными или любой другой формы с контактными поверхностями, что способствует пропитке, но не является ключевым моментом в данном случае.
В пропиточную фильеру (9) термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, подают с помощью вращения шнека (25) экструдера (6), при этом термопластичный полимерный материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, проходит через канал (23) в корпусе (21) УЗ излучателя (23) и по зазору между УЗ излучателем (20) и корпусом (21) УЗ излучателя (23) попадает в зону кавитации (15), а затем - в пропиточную фильеру (9).
Температура внутри корпуса (21) УЗ излучателя (23) и в пропиточной фильере (9) должна быть выше на 30-70°С температуры плавления термопластичного полимерного материала (24), которую поддерживают с помощью электрических нагревателей. Температуру в УЗ преобразователе (22) поддерживают на уровне 20-50°С с помощью водяного охлаждения. Для предотвращения утечки термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, через корпус (21) УЗ излучателя (20) устанавливают стопорное кольцо (19).
После выхода из пропиточной фильеры (9) сформованный термопластичный препрег протягивают через охлаждающие валы (10) и через систему контроля размеров (11), готовый термопластичный препрег наматывают на приемный барабан с приводом (12) со скоростью от 1 до 40 метров в минуту. Рабочую температуру экструдера, скорость скорость вращения шнека экструдера, силу натяжения волокон, скорость движения волокон задают и контролируют с помощью электронного пульта управления (13).
Заявленный термопластичный препрег представляет собой по крайней мере один площенный пучок некрученых непрерывных волокон, внедренных в матрицу из термопластичного полимерного материала, при этом термопластичный препрег имеет ширину от 6 до 1000 мм и толщину от 0,05 до 0,3 мм, при содержании матрицы в нем в количестве 30-70 мае. %. Термопластичный препрег содержит от 1 до 200 пучков (и более) некрученых непрерывных волокон. Толщина и ширина термопластичного препрега зависит от количества пучков в нем.
В таблице 1 представлено подтверждение достижения технического результата при изготовлении заявленного термопластичного препрега по сравнению с прототипом, при содержании в нем термопластичного полимерного материала 50 мае. % и волокна 50 мае. %. Представленные результаты актуальны: для разных толщины и ширины термопластичного препрега; для различного содержания термопластичного полимерного материала в заявленном интервале, а также для различных видов термопластичного полимерного материала и волокон, раскрытых в заявленном изобретении.
Таблица 1
Пропиточная фильера (9) создана с использованием инновационного подхода, в основе которого лежит принцип использования ультразвукового воздействия для снижения вязкости термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, и создания локальных областей большого давления на поверхности волокна, с одновременным возникновением эффекта кавитации. Так же ультразвуковое воздействие с эффектом кавитации позволило улучшить и другие характеристики термопластичного полимерного материала (24), находящегося в вязкотекучем состоянии, такие как молекулярно-массовое распределение и степень гомогенизации. Благодаря этому происходит равномерная и полная пропитка волокна высоковязким термопластичным
полимерным материалом (24). Снижении затрат и времени изготовления изделий достигается за счет снижения вязкости полимерного материала и, следовательно, обеспечивается повышение его пропитывающей способности.
Дополнительные плюсы технологии заключается в том, что отпадает необходимость использовать большое давление в экструдере, упрощается конструкция фильеры, увеличивается производительность экструдера, все это значительно снижает стоимость оборудования и увеличивается общая производительность системы. В итоге, на данном оборудовании можно производить термопластичный препрег из любых доступных термопластов с высокой скоростью, качеством и повторяемостью свойств. Описанная система производства термопластичного препрега позволяет изготавливать материал с минимальным количеством пор и пустот, обладающий высокими физико-механическими характеристиками.
Claims
1. Способ изготовления термопластичного препрега, включающий следующие этапы:
- площение по крайней мере одного пучка некрученых непрерывных волокон путем его протягивания через систему площения волокна;
- формование термопластичного препрега путем экструзии по крайней мере одного площенного пучка некрученых непрерывных волокон и термопластичного полимерного материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, в пропиточной фильере, при этом перед подачей термопластичного полимерного материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, в пропиточную фильеру, его подвергают воздействию ультразвуковой кавитации в ультразвуковом излучателе;
- охлаждение термопластичного препрега.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что протягивание упомянутых пучков волокон осуществляют при их натяжении от 10 до 100 Н.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед пропиточной фильерой упомянутые площенные пучки непрерывных волокно подвергают окислению и/или осуществляют нанесения аппретов в системе обработки волокна.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый термопластичного полимерного материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, подают дозированно с помощью системы весового контроля расхода гранул термопластичного полимерного материала.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковая колебательная система, состоит из генератора, магнитострикционного преобразователя, излучателя, выполненного из титанового сплава, с фиксированной частотой 18,0-24,0 кГц, амплитудой 5-50 мкм, интенсивностью излучения не менее 10 Вт/см2 и системы охлаждения преобразователя.
6. Термопластичный препрег, полученный способом по любому из пп. 1-5, содержащий по крайней мере один площенный пучок некрученых непрерывных волокон, внедренных в матрицу из термопластичного полимерного материала, при этом термопластичный препрег имеет ширину от 6 до 1000 мм и толщину от 0,05 до 0,3 мм, при содержании матрицы в нем в количестве 30-70 мае. %.
7. Препрег по п. 6, отличающийся тем, что термопластичный полимерный материал представляет собой полиэтилен, полилакгид, поликарбнат, полиимид, полиэфирэфиркетон, полиацеталь, полифениленсульфид, полисульфон, полиэфиримид,
полипропилен, полиамид, полиформальдегид, полистирол, полиэтилентерафталат или их сополимеры.
.
8. Препрег по п. 6, отличающийся тем, что непрерыные волокна представляют собой функциональные волокна, выполненные в виде армирующих или оптических и/или электропроводящих армирующих волокон.
9. Препрег по п. 6, отличающийся тем, что непрерывные волокна представляют собой по крайней мере одно волокно, выбранное из группы углеродное, стеклянное, арамидное, базальтовое, борное, металлическое.
10. Препрег по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит короткие и/или длинные рубленные волокна в количестве 1-50 мае. % от массы препрега.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020106599A RU2733604C1 (ru) | 2020-02-12 | 2020-02-12 | Термопластичный препрег и способ его изготовления |
| RU2020106599 | 2020-02-12 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2021162574A1 true WO2021162574A1 (ru) | 2021-08-19 |
Family
ID=72927067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/000090 WO2021162574A1 (ru) | 2020-02-12 | 2020-02-25 | Термопластичный препрег и способ его изготовления |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2733604C1 (ru) |
| WO (1) | WO2021162574A1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU939262A1 (ru) * | 1980-05-26 | 1982-06-30 | Кишиневский Сельскохозяйственный Институт Им.М.В.Фрунзе | Способ переработки под давлением термопластичной полимерной композиции и устройство дл его осуществлени |
| WO2003060218A1 (fr) * | 2002-01-16 | 2003-07-24 | Saint Gobain Vetrotex | Structure fibreuse pour la realisation de materiaux composites |
| WO2011163365A2 (en) * | 2010-06-22 | 2011-12-29 | Ticona Llc | Thermoplastic prepreg containing continuous and long fibers |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5268050A (en) * | 1991-06-05 | 1993-12-07 | Ferro Corporation | Process for using an extruder die assembly for the production of fiber reinforced thermoplastic pellets, tapes and similar products |
| RU2186685C2 (ru) * | 2000-04-14 | 2002-08-10 | Открытое акционерное общество "Запсибгазпром" | Способ изготовления армированных трехслойных пластмассовых труб |
-
2020
- 2020-02-12 RU RU2020106599A patent/RU2733604C1/ru active
- 2020-02-25 WO PCT/RU2020/000090 patent/WO2021162574A1/ru active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU939262A1 (ru) * | 1980-05-26 | 1982-06-30 | Кишиневский Сельскохозяйственный Институт Им.М.В.Фрунзе | Способ переработки под давлением термопластичной полимерной композиции и устройство дл его осуществлени |
| WO2003060218A1 (fr) * | 2002-01-16 | 2003-07-24 | Saint Gobain Vetrotex | Structure fibreuse pour la realisation de materiaux composites |
| WO2011163365A2 (en) * | 2010-06-22 | 2011-12-29 | Ticona Llc | Thermoplastic prepreg containing continuous and long fibers |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2733604C1 (ru) | 2020-10-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2218907C (en) | Flexible low bulk pre-impregnated tow | |
| US7790284B2 (en) | Flexible composite prepreg materials | |
| JP5788978B2 (ja) | 連続繊維と長い繊維を含む熱可塑性プリプレグ | |
| CA2972135C (en) | Process and device for the production of a fibre-composite material | |
| US5503928A (en) | Fibre reinforced composites | |
| US4769286A (en) | Composite reinforcing elements and processes for producing them | |
| US10626235B2 (en) | Flexible composite prepreg materials | |
| CA2176920A1 (en) | Method and apparatus for continuously draw molding helical groove-carrying fiber-reinforced plastic rods | |
| CA2980235C (en) | Process and device for the production of a fibre-composite material | |
| JP6895682B2 (ja) | 一方向プリプレグ、繊維強化熱可塑性樹脂シート、一方向プリプレグおよび繊維強化熱可塑性樹脂シートの製造方法、ならびに、成形体 | |
| US20190118495A1 (en) | Flat fiber-reinforced plastic strand, flat fiber-reinforced plastic strand sheet, and method of manufacturing the same | |
| US11794419B2 (en) | Fiber-reinforced resin molding material molded product and method of producing same | |
| JP7312380B2 (ja) | 熱可塑性樹脂含浸シート状強化繊維束の製造方法 | |
| JP5261264B2 (ja) | 複合容器の製造方法 | |
| RU2733604C1 (ru) | Термопластичный препрег и способ его изготовления | |
| JPH06285855A (ja) | 長繊維強化合成樹脂製品成形用ストランドおよびペレット | |
| KR102032819B1 (ko) | 토우 프리프레그 제조장치 및 제조방법 | |
| JPH0724830A (ja) | 熱可塑性一方向プリプレグシートの製造法 | |
| JP3724067B2 (ja) | 複合材の製造方法及びマット状複合材 | |
| GB2159845A (en) | Improvements in and relating to fibre reinforcing tape | |
| CA2312467C (en) | Flexible low bulk pre-impregnated tow | |
| Okine | Processing of thermoplastic matrix composites | |
| JPH06322144A (ja) | 薄肉高剛性炭素繊維強化合成樹脂射出圧縮成形品 | |
| JPH045544B2 (ru) | ||
| JPH04173108A (ja) | 繊維強化マテリアルを製造する方法と装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 20918928 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20918928 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |