FI83492B - Foerfarande och anordning foer framstaellning av ett fiberstaerkt material. - Google Patents

Description

5 63492

Menetelmä ja laite kuituvahvistetun materiaalin valmistamiseksi Förfarande och anordning för framställning av ett fiberstärkt material

Esilläoleva keksintö koskee menetelmää ja laitetta kuituvahvistetun materiaalin valmistamiseksi. Erityisesti keksintö koskee menetelmää ja laitetta sellaisen kuituvahvistetun materiaalin valmistamiseksi, jonka muodostaa vahvikekuitu-kimppu tai -kimppuja sidottuna matriisin muodostavalla hartsimateriaalilla 10 sellaisella tavalla, että myös yksittäiset kuidut ovat hartsimateriaalin ympäröimiä.

Suurin ongelma tämän tyyppisiä tuotteita valmistettaessa on tiettyjen matrii-sihartsin muodostavien materiaalien korkea viskositeetti. Koska yksittäiset kuidut kuitukimpuissa ovat hyvin tiheässä lähellä toisiaan, hartsimateriaalin on vaikeaa 15 tunkeutua kuitukimppun sisään ja ympäröidä kaikki yksittäiset kuidut. Tämä olisi kuitenkin välttämätöntä tuotteen ominaisuuksien, kuten lujuuden, jäykkyyden, kemiallisen kestävyyden jne kannalta.

Ongelmalle on yritetty monia ratkaisuja. Eräässä ratkaisussa kuitukimput 20 kuljetetaan ns. ristipääsuuttimen läpi, jossa sulaa tai nestemäistä hartsia saatetaan tunkeutumaan suutimen läpi kulkeviin kuitukimppuihin. Ns. jauhemenetel-mässä kuitukimppurataa kuljetetaan kuivien termoplastisten hartsihiukkasten muodostaman petin läpi, jolloin kuitukimput vievät mukanaan hartsihiukkasia, jotka myöhemmässä vaiheessa sulatetaan kuitukimppuun. Tunnetaan myös 25 liuotinmenetelmiä, joissa kuitukimppuja imeytetään nestemäiseen väliaineeseen liuotetulla hartsilla.

Ristipääsuutinmenetelmä on osoittautunut tehottomaksi kuitukimppujen imeyttä-miseksi termoplastisella hartsilla, koska kaikki yksittäiset kuidut eivät tule 30 ympäröidyksi hartsilla. Jauhemenetelmään sisältyy monia prosessointivaiheita, jotka ovat vaikeita synkronoida keskenään, ovat kalliita hankkia ja käyttää ja samalla vahingoittavat vahviketta. Liuotinmenetelmissä tarvitaan kuivausprosessi, joka on kallis, aiheuttaa ympäristöhaittoja, on aikaa viepää ja rajoittaa tuotan-tonopeutta. Lisäksi tuotteen laatu on alhainen siksi, että poistuva liuotin jättää 35 tuotteeseen huokosia.

2 83492

Esilläoleva keksintö aikaansaa prosessin ja laitteen vahvikekuitujen imeyttämi-seksi kuitukimppujen muodossa siten, että yksittäisetkin kuidut tulevat hartsilla ympäröidyiksi. Keksintö perustuu siihen tunnettuun ilmiöön, että tietyillä pseudoplastisilla materiaaleilla viskositeetti alenee niiden joutuessa alttiiksi 5 leikkausvoimille. Tämä "leikkausohentumisena" tunnettu ilmiö on yleistä erilaisilla emulsioilla, dispersioilla, suspensioilla ja muilla materiaaleilla mukaanluettuna termoplastiset hartsit ja vähemmässä määrin myös lämpökovettuvien hartsien liuokset. Alttiutta leikkausohennukselle voidaan säätää muuttamalla materiaaliin kohdistetun leikkausrasituksen tasoa. Alhaisilla rasitustasoilla saavutetaan pieni 10 vaikutus, keskisuurilla rasitustasoilla alttius leikkausohennukselle kasvaa dramaattisesti ja hyvin korkeilla rasituksilla palautuu jälleen alemmalle tasolle materiaalin saavuttaessa minimiviskositeettinsa.

Tyypillinen viskositeettialue termoplastisille hartseille on 102-106 Pas ja lämpöko-15 vettuville hartsiliuoksille 100-5000 Pas. Vahvikekuitujen imeytyksessä alue 1-10 Pas olisi ihanteellinen, tavallinen suuruusluokka on 102 Pas ja joissakin tapauksissa suuruusluokka 103 Pas voi olla hyväksyttävissä. Tyypilliset leikkausnopeus-alueet polymeerisulille ja liuoksille ovat 101-106 1/s ja maksimivastaavuuden alue voi olla 10°-104 1/s.

20

Keksinnön mukainen menetelmä koskee kuitukimppujen imeyttämistä sulalla tai nestemäisellä hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää kuitukimpun tai kimppumaisia kuituryhmiä, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, imeyttämällä yhden tai useamman kuitukim-25 pun muodostamaa jatkuvaa rainaa sulalla tai nestemäisellä hartsilla ja kovettamalla mainittu hartsi jäähdyttämällä tai kemiallisella reaktiolla. Keksinnön mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että ennen mainittua imeyttämistä sula tai nestemäinen hartsimateriaali alistetaan leikkausvoimien kohteeksi pakottamalla se virtaamaan kahden toistensa suhteen liikkuvan lähekkäisen pinnan 30 välissä.

Keksinnön mukaisen menetelmän erään suoritusmuodon mukaan toinen mainituista pinnoista, joiden välissä sula tai nestemäinen hartsi pakotetaan virtaamaan ennen imeyttämistä, on paikallaan oleva pinta ja toinen pinta on liikkuva pinta.

3 83492

Kuitenkin molemmat pinnat voivat yhtä hyvin olla liikkuvia pintoja.

Keksinnön mukaisen menetelmän erään suoritusmuodon mukaan mainitut pinnat ovat sylinteripintoja, joiden välissä imeytettävä hartsi virtaa ja joutuu siten 5 leikkausvoimien kohteeksi, mikä alentaa sen viskositeettia.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista valmistaa mitä tahansa kuituvahvistettua materiaalia, jossa kuidut ovat kimppujen muodossa. Kuidut voivat olla mitä tahansa kuituja, jotka ovat sidottavissa matriisihartsiin. Sellaisia 10 tuotteita ovat esimerkiksi jatkuvakuituvahvisteiset granulaatit ruiskupuristusvalua ja muita prosesseja varten, esikovetteet tai esi-imeytetyt materiaalit tavanomaisia prosesseja kuten pultruusiota, filamenttikelausta, teippilaminointia ym. varten.

15 Siten keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan käyttää esimerkiksi lasikuituja, hiilikuituja ja aramidikuituja sekä termoplastisia kuituja. Tavallisimmin käytettäviä vahvikekuituja ovat lasikuitu tuotteet kimppujen muodossa, joita tuotteita voidaan käyttää yksittäisinä kimppuina tai myöskin kudottuina tuotteina esimerkiksi lasikuiturovingina. Tyypilliset lasikuitukimput sisältävät tuhansia 20 yksityisiä kuituja, joiden läpimitta on yleensä suuruusluokkaa 10-17 Mm.

Kuituvahvistetun materiaalin vahvikekuitujen sidontaan käytettävä hartsimateri-aali voi olla esimerkiksi termoplastista hartsia, joka imeytetään kimppuihin sulana, tai lämpökovettuvaa hartsia, joka jähmetetään imeytyksen jälkeen 25 lämmön tai kemiallisen reaktion avulla.

Sopivia termoplastisia hartseja ovat mm. olefiinien homo- ja kopolymeerit, vinyylikloridin homo- ja kopolymeerit, polyetyleenitereftalaatti, akrylonitriilin homo-ja kopolymeerit, polyamidit ja kopolyamidit, formaldehydin termoplastiset 30 polymeerit, polykarbonaatti, polysulfoni ja minkä tahansa kahden tai useamman edellämainitun polymeerin seokset sekä yleensä kaikki sellaiset termoplastiset hartsit, joiden viskositeetti alenee leikkausvoimien vaikutuksesta.

Keksintö koskee myös laitetta kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai neste- 7 f C r) ^ C J ^ *- mäisellä hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat mat-riisihartsin ympäröiminä. Keksinnön mukainen laite on tunnettu siitä, että se käsittää elimet leikkausvoimien kohdistamiseksi ennen mainittua imeytystä 5 mainittuun sulaan tai nestemäiseen hartsimateriaaliin, jotka elimet käsittävät kaksi lähekkäin olevaa toistensa suhteen liikkuvaa pintaa, joiden välissä mainittu sula tai nestemäinen hartsimateriaali pakotetaan virtaamaan ja siten kohdistetaan siihen leikkausvoimia, ja elimet mainittujen kuitukimppujen saattamiseksi kosketukseen mainitun hartsimateriaalin kanssa, johon on kohdistettu leikkaus-10 voimia, niiden imeyttämiseksi mainitulla hartsimateriaalilla.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan toinen tai molemmat mainituista pinnoista ovat liikkuvia pintoja.

15 Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut pinnat ovat sylinteripintoja.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut pinnat ovat tasomaisia pintoja. Tasomaiset pinnat voivat muodostua esimerkiksi 20 kahdesta lähekkäin eri suuntiin pyörivästä tasomaisesta levystä, joiden väliin sula tai nestemäinen hartsi johdetaan.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut pinnat määrittävät rengasmaisen tilan kahden sylinteripinnan välissä, jolloin 25 toinen tai molemmat mainituista sylinteripinnoista on pyörivä pinta.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut elimet mainittujen kuitukimppujen saattamiseksi kosketukseen mainitun hartsi-materiaalin kanssa, joka on alistettu leikkausvoimille, käsittävät yhden tai 30 useamman syöttökanavan, joka on yhteydessä mainittuun rengasmaiseen tilaan.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut syöttökanavat ovat yksi tai useampi rako, joka on leikattu mainitun rengasmaisen tilan sisältävän imeytyspään seinämään.

5 83492

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainittu imeytyspää on yhdistetty ekstruuderin ulostulopäähän.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan imeytys-5 pään ulkopinta on kaareva tai tasomainen imeytysalueella.

Keksintöä kuvataan edelleen, mutta ei rajoiteta, viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa 10 Kuvio 1 on periaatteellinen piirros keksinnön mukaisesta laitteistosta sovellettuna jatkuvakuituvahvisteisen termoplastisen granulaatin valmistamiseen,

Kuviot 2 ja 3 ovat kaavamaisia kuvia laitteesta lasikuitukimppurainan imeyttämi-seksi matriisihartsilla keksinnön mukaisesti.

15

Kuviossa 1 lasikuitukimppurata 10 syötetään kelalta 11 esilämmityskammion 12 ja levityslaitteen 13 läpi imeytyspäähän 18. Levityslaitteessa 13 raina 10 kuljetetaan telojen 14 muodostaman telasarjan kautta siten, että kuiturata kulkee vuorotellen telojen ylä- ja alapuolelta. Tämä levittää jossain määrin kuitukimp-20 puja ja helpottaa hartsin imeytymistä imeytysvaiheessa. On kuitenkin huomattava, että levityslaitteen 13 käyttäminen ei millään tavalla ole välttämätöntä eikä se muodosta osaa keksinnöstä. Imeytyspää 18 on yhteydessä ekstruuderiin 15, johon imeytettävä hartsimateriaali 16 syötetään suppilon 17 kautta. Ekstruuderis-sa 15 hartsi sulaa ja muokkautuu valmiiksi syötettäväksi keksinnön mukaiseen 25 imeytyspäähän 18.

Hartsilla imeytetty kuitukimppunauha tai rata 10b kuljetetaan sitten jäähdytysyk-sikköön 19, jossa sula hartsi jähmetetään jäähdyttämällä. Jähmettäminen voi tapahtua myös kemiallisella reaktiolla, jolloin imeytetty hartsi voi sisältää 30 kovettamiseen tarvittavat lisäaineet ja kovettamisessa voidaan luonnollisesti käyttää hyväksi lisälämmitystä, mikäli tarpeen.

Jäähdytysyksiköstä 19 hartsilla imeytetyt ja kovetetut kuitukimput kuljetetaan senjälkeen leikkuriin 20, joka katkoo kuituvahvistetun tuotteen sopivan pituisiksi 6 83492 kappaleiksi 21, jotka ovat valmiita pakattaviksi tai käyttövalmiita tuotteiden valmistukseen. Keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteistolla on luonnollisesti mahdollista valmistaa myös jatkuvia kuituvahvistettuja tuotteita, jotka siinä tapauksessa leikataan kulloinkin haluttuihin pituuksiin tai jätetään kokonaan 5 leikkaamatta.

Radan 10 kuljettaminen kuviossa 1 esitetyn laitteiston läpi voidaan suorittaa millä tahansa sopivalla vetolaitteella. Kuviossa 1 on kaavamaisesti esitetty hihnakäyttöinen vetolaite 22.

10

Kuvio 2 kuvaa kuviossa 1 esitetyn imeytyspään perusrakennetta. Imeytyspään 18 sisällä on syöttökanava 23, jonka läpi syötetään käsittelemätöntä sulaa tai nestemäistä hartsia 24 ekstruuderista 15. Kanavasta 23 hartsi syötetään portin 25 läpi rengasmaiseen tilaan kahden sylinteripinnan 26 ja 27 välissä. Tässä suoritus-15 muodssa ulkopinta 26 on paikallaan oleva pinta ja sisäpinta 27 on liikkuva pinta. Tämän liikkuvan pinnan 27 muodostaa pyörivän renkaan 28 ulkopinta renkaan 28 pyöriessä nuolen A suuntaan. Pyörimissuunta ei ole oleellista keksinnön kannalta. Rengasmaisessa tilassa pintojen 26 ja 27 välissä, jotka pinnat liikkuvat toistensa suhteen, portista 25 tuleva hartsimateriaali 29 saatetaan leikkausvoimil-20 le alttiiksi, mikä alentaa sen viskositeettia.

Leikkausvoimien alaisena pintojen 26 ja 27 välissä ollut hartsimateriaali 29 puretaan syöttökanavan 30 läpi, joka syöttää leikkausvoimille alttiina olleen hartsin imeytysalueelle 31. Kuitukimppurata 10a siirretään imeytysalueen 31 ohi, 25 missä sula viskositeetiltaan alentunut hartsi tunkeutuu kuitukimppuihin niin täydellisesti, että kukin yksityinen kuitu tulee ympäröidyksi hartsilla. Imeytetty kuitukimppurata 10b kuljetetaan sitten kuviossa 1 esitettyyn jäähdytysyksikköön 19.

30 Viskositeettia alentava leikkausvaikutus kuviossa 2 tapahtuu pintojen välissä, joista toinen on paikallaan pysyvä pinta ja toinen on liikkuva pinta. On kuitenkin selvää, että myös toinen pinta 26 voi olla pyörivä sylinterimäinen pinta, joka pyörii vastakkaiseen suuntaan kuin pinta 27. Kuviossa 3 on esitetty sellainen suoritusmuoto. Kuvion 3 mukainen laite on samanlainen kuin kuvion 2 laite, 7 83492 paitsi että Ieikkaustila muodostuu kahden liikkuvan pinnan 27 ja 26 väliin. Pinta 26 on tässä tapauksessa sisäpinta renkaassa 32, joka pyörii päinvastaiseen suuntaan B kuin rengas 28. Tämä merkitsee tehokkaampaa leikkausvaikutusta.

5 On ilmeistä, että on mahdollista käyttää peräkkäisessä järjestyksessä useampaa kuin yhtä rengasmaista tilaa, joissa imeytettävään hartsiin kohdistetaan leikkaus-voimia. Edelleen on selvää, että imeytyspäähän 18 kuvioissa 1-3 tuleva hartsima-teriaali voi olla esikäsitelty muilla menetelmillä, jotka alentavat alustavasti sen viskositeettia, esimerkiksi leikkausvoimilla, jotka johtuvat virtauksesta kapillaari-10 sessa putkessa.

Vaikka keksintöä on edellä kuvattu sovellettuna liikkuvan kuitukimppurainan imeyttämiseen, on selvää, että kuitukimppurainan voi muodostaa myös paikoillaan oleva raina ja imeytyspää voi olla liikkuva. Keksinnön toiminta on täsmäl-15 leen samanlainen kummassakin tapauksessa. Lisäksi on mahdollista soveltaa kahta tai useampaa keksinnön mukaista imeytyspäätä ja nämä imeytyspäät voivat sijaita imeytettävän kuiturainan samalla tai eri puolilla.

Claims (14)

1. 8 83492 Patenttivaatimu kset
2. 1. Menetelmä kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla (24,29) kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää 5 kuitukimpun tai kimppumaisia kuituryhmiä, jossa yksittäiset kuidut ovat mat-riisihartsin ympäröiminä, imeyttämällä yhden tai useamman kuitukimpun muodostamaa jatkuvaa rainaa (10,10a) sulalla tai nestemäisellä hartsilla (24,29) ja kovettamalla mainittu hartsi jäähdyttämällä tai kemiallisella reaktiolla, tunnettu siitä, että ennen mainittua imeyttämistä sula tai nestemäinen 10 hartsimateriaali (29) alistetaan leikkausvoimien kohteeksi pakottamalla se virtaamaan kahden toistensa suhteen liikkuvan lähekkäisen pinnan (26,27) välissä.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen 15 mainituista pinnoista on paikallaan oleva pinta (26) ja toinen pinta on liikkuva pinta (27).
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että molemmat mainituista pinnoista (26,27) ovat liikkuvia pintoja. 20
5. 4. Patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitut pinnat (26,27) ovat sylinteripintoja.
6. 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että mainittu matriisihartsi on termoplastinen materiaali.
7. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu termoplastinen hartsi on valittu ryhmästä olefiinien homo- ja kopoly-meerit, vinyylikloridin homo-ja kopolymeerit, polyetyleenitereftalaatti, akrylonit- 30 riilin homo- ja kopolymeerit, polyamidit ja kopolyamidit, formaldehydin termoplastiset polymeerit, polykarbonaatti, polysulfoni ja minkä tahansa kahden tai useamman edellämainitun polymeerin seokset.
8. 7. Laite kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla (24,29) 9 83492 kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, tunnettu siitä, että se käsittää elimet leikkausvoimien kohdistamiseksi ennen mainittua imeytystä mainittuun sulaan tai nestemäiseen hartsimateriaaliin 5 (29), jotka elimet käsittävät kaksi lähekkäin olevaa toistensa suhteen liikkuvaa pintaa (26,27), joiden välissä mainittu sula tai nestemäinen hartsimateriaali (29) pakotetaan virtaamaan ja siten kohdistetaan siihen leikkausvoimia, ja elimet (30) mainittujen kuitukimppujen saattamiseksi kosketukseen mainitun hartsimateriaa-lin (29) kanssa, johon on kohdistettu leikkausvoimia, niiden imeyttämiseksi 10 mainitulla hartsimateriaalilla.
9. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että toinen tai molemmat mainituista pinnoista (26,27) ovat liikkuvia pintoja.
10. 9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut pinnat (26,27) ovat sylinteripintoja.
11. 10. Patenttivaatimuksen 7-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut pinnat (26,27) määrittävät rengasmaisen tilan kahden sylinteripinnan välissä, 20 jolloin toinen tai molemmat mainituista sylinteripinnoista on pyörivä pinta.
12. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut elimet mainittujen kuitukimppujen saattamiseksi kosketukseen mainitun hartsi-materiaalin (29) kanssa, joka on alistettu leikkausvoimille, käsittävät yhden tai 25 useamman syöttökanavan (30), joka on yhteydessä mainittuun rengasmaiseen tilaan.
13. 12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut syöttökanavat (30) ovat yksi tai useampi rako, joka on leikattu mainitun rengas- 30 maisen tilan sisältävän imeytyspään (18) seinämään. 1 Patenttivaatimuksen 12 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu imeytyspää (18) on yhdistetty ekstruuderin (15) ulostulopäähän. ίο 8 3 492
14. 14. Patenttivaatimuksen 12-13 mukainen laite, tunnettu siitä, että imeytys-pään (18) ulkopinta on kaareva tai tasomainen imeytysalueella (31). 11 83492