Verfahren zum Herstellen von mit Fiberglas verstärkten thermoplastischen Granulaten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von mit Fiberglas verstärkten thermoplasti- schen Granulaten, und insbesondere auf die Technik der Herstellung von mit Fiberglas verstärkten granulierten Spfitzgusskonzentraten.
Zum Spritzgiessen dienende, mit Glasfasern verstärkte thermoplastische Kunstharze haben wegen ihrer überlegenen physikalischen Eigenschaften gegenüber ihren unverstärkten Gegenstücken in den letzten zehn Jahren sehr stark an Bedeutung gewonnen. Brüchige Kunstharze, wie beispielsweise homopolymeres Styrol (Kristallform oder für allgemeine Zwecke), wurden verbessert und fanden Verwendung in Bereichen, die früher für derartige Kunstharze nicht offen waren.
Eine Ver stärkung mit Glasfasern führt somit wenigstens zu einer Verdoppelung der Zugfestigkeit, zu einer Verbesserung der Schlagfestigkeit sowohl bei niedriger als auch bei Ráumtemperatur, zu einer Erhöhung der Steifigkeit, zu einer Verminderung des Kaltfliessens und des Wärme- ausdehnungskoeffizienten, zu einer Erhöhung der Hitzefestigkeit und zur Verbesserung anderer Eigenschaften, so dass die Eigenschaften derartig verbesserter Kunststoffe an die Eigenschaften einiger Metalle heranreichen.
Die folgende Tabelle veranschaulicht die Verbesserungen, die nach einer Fiberglasverstärkung eines an sich unveränderten thermoplastischen Kunstharzes erzielt werden, und vergleicht die sich ergebenden Eigenschaften mit denen bestimmter gewöhnlicher Metalle.
Tabelle I
Kerbschlag- Biegetemperatur Linearer Wärme
Zug- Dehnung Elastizitäts- zähigkeit bei ausdehnungs festigkeit modul nach Izod 18,58 kg/cm2 koeffizient Einheit kg/cm2 % kg/cm2 103 cmkg/cm2 C o C ASTM-Prüfung D638-61T D638-61T D638-61T D256-56 D648-56 D696-44 Unverstärktes Nylon 6,6 829,5 60 31,6 13,8 65,6 8,1 X 10 5 40% glasfaserverstärktes 2109 2,2 140,8 46,9 260 2,52 X 10-
Nylon 6,6 Unverstärktes Polystyrol 527 3,0 324 6,9 82,22 7,2 X 10-5 35 % glasfaserverstärktes 1055 1,2 133,8 30,3 104,44 3,24 X 10-5
Polystyrol Unverstärktes Hochdruck- 295 800 9,85 27,6 79,44 10,8 X 10-5 polyäthylen (bei 4,62 kg/cm2) 40% glasfaserverstärktes 773 3,5 63,3 55,22 126,67 3,06 X <RTI
ID=1.16> 1045
Polyäthylen Zink 2890 10 (Kriecht) - - 2,7 X 10-5 Aluminium 2330-3300 4-9 725 - - 2,16 X 10-5 Magnesium 2390 3 457 - - 2,52 X 10-5
Wie aus der Tabelle I hervorgeht, wird durch die Verstärkung von Nylon 6-6 mit 40% Fiberglas die Zugfestigkeit von 829,5 kg/cm2 auf 2109 kg/cm2 erhöht. Während die Dehnbarkeit von 60 % auf 2,2 % vermindert und der Spannungsmodul von 17 000 kg/cmo auf 140 600 kg/cm2 erhöht wurde, wird, wie auch angegeben ist, die Kerbschlagzähigkeit nach dem Izod Prüfverfahren extrem von 13,8 cmkg/cm2 bei unver stärktem Nylon auf 46,9 cmkg/cm2 bei verstärktem Nylon verbessert.
Die Biegetemperatur bei einer Belastung von 18,48 kg/cm2 erhöhte sich von 65,60 C bei unverstärktem Nylon auf 2600 C bei mit Fiberglas ver stärktem Nylon in extremer Masse, während der lineare Wärmeausdehnungsko effizient von
8,1 x 10-5 0 C-' auf 2,52 x 10-5 0 C-l vermindert wurde. Die geringe Dehnbarkeit, der hohe Spannungsmodul und der niedrige lineare Wärmeausdehnungskoeffizient auf Grund der Verstärkung der thermoplastischen Kunstharze mit Fiberglas ergeben Eigenschaften, die den Eigenschaften der drei zum Spritzgiessen angewandten Grundmetaile, die in den ganz rechten Spalten der Tabelle aufgeführt sind, sehr ähnlich sind.
Wie aus der Tabelle hervorgeht, werden ähnliche Erhöhungen der Festigkeitseigenschaften von Polystyrol und Polyäthylen hoher Dichte durch die Verstärkung dieser thermoplastischen Stoffe mit Fiberglas erzielt.
Mit Fiberglas verstärkte Spritzgussstoffe gemäss der vorstehenden Tabelle sind in der USA-Patentschrift Nr 2 877 501 von R. Bradt beschrieben, aus der Stoffe hervorgehen, die aus 15 bis 60 Gew.% Glasfasern bestehen, während der Rest das Kunstharz ist. Die Eigenschaften der mit Fiberglas verstärkten thermoplastischen Stoffe, die auf Grund der Offenbarung der USA-Patentschrift Nr 2 877 501 hergestellt werden, sind die besten Eigenschaften, die bei mit Fiberglas verstärkten thermoplastischen Stoffen überhaupt gefunden werden können.
Zusätzlich zur Verfahrenstechnik gemäss der USA Patentschrift Nr. 2 877 501 gibt es weitere Verfahren zum Herstellen von mit Glas verstärkten thermoplastischen Stoffen. Ein Material, das in der Industrie im allgemeinen als mit kurzem Fibergias verstärkter ther mopiastischer Stoff bezeichnet wird, kann hergestellt werden, indem Fiberglas, das zuvor in kurze, etwa 6,35 mm Enden zerkleinert wurde, zusammen mit einem thermoplastischen Stoff in den Zuführtrichter eines Extruders geleitet und das Gemisch aus Fiberglas und dem thermoplastischen Stoff gleichzeitig in Form von Strängen gespritzt wird. Anschliessend werden diese Stränge in kleine Tabletten, die zum Spritzgiessen geeignet sind, geschnitten. Die mittels dieses Verfahrens hergestellten Produkte enthalten Glasfasern, die im Granulat feinverteilt sind.
Jedoch sind die Fasern normalerweise äusserst kurz, und zwar im allgemeinen 0,5 bis 1,8 mm lang, obwohl dem Extruder wesentlich längere Glasfasern zugeführt werden. Die Verringerung der Faserlänge beruht auf einer starken Schleifwirkung, die bei den harten thermoplastischen Tabletten und dem Fiberglas auftritt, wenn das Gemisch in der Schnecke des Extruders zusanurrengedrückt wird. Die endgültigen physikalischen Eigenschaften dieser sogenannten mit kurzem Fiberglas verstärkten thermoplastischen Stoffe sind nicht mit denen gleichwertig, die als mit langem Fiberglas verstärkte thermoplastische Stoffe bezeichnet werden. Dieser Unterschied wird durch einen Vergleich der physikalischen Eigenschaften in der folgenden Tabelle veranschaulicht.
Tabelle II Eigenschaft ASTM-Prüfung Langes Glas Kurzes Glas Langes Glas Kurzes Glas Zugfestigkeit bei 22,80 C, kg/cm2 D638-61T 2110 1690 984 773 Biegungsmodul bei 22,80C, kg/cm .103 D790-63 126,5 105 84 70 Kerbschlagzähigkeit nach Izod bei D256-56 47 19,3 33,5 6,9
22,80 C, cmkg/cm2 Biegetemperatur bei 18,48kg/cm2 in 0C D648-56 260 249 104,4 98,9
Wie aus den Daten der Tabelle II hervorgeht, liegt bei mit kurzem Glas verstärktem Nylon eine maximale Zugfestigkeit von nur 1690 kg/cm2 vor, während mit langem Glas verstärktes Nylon eine Zugfestigkeit von 2110 kg/cm2 aufweist.
In ähnlicher Weise liegt die Kerbschlagzähigkeit nach dem Izod-Prüfverfahren der mit kurzem Glas verstärkten Produkte sehr weit unter der Kerbschlagzähigkeit der mit langem Glas verstärkten Gegenstücke. Beispielsweise liegt bei mit kurzem Glas verstärktem Nylon eine Kerbschlagzähigkeit nach dem Izod-Prüfverfahren von nur 19,3 cmkg/cm2 vor, während bei mit langem Glas verstärktem Nylon eine Kerbschlagzähigkeit nach dem Izod-Prüfverfahren von 47 cmkglcm2 vorliegt. Der Unterschied zwischen mit langem und mit kurzem Glas verstärktem Polystyrol ist sogar noch drastischer. Mit kurzem Glas verstärkte Polystyrole haben eine Kerbschlagzähigkeit von nur 6,9 cmkg!cm2, während mit langem Glas verstärkte Polystyrole eine Kerbschlagzähigkeit von 33,5 cmkg/cm2 haben.
Da die mit kurzem Glas verstärkten thermopla- stischen Kunstharze, die vorstehend beschrieben sind, durch einfaches Strangpressmischen hergestellt werden können, entstand in der Industrie eine logische Erweiterung dieses Verfahrens. Diese Erweiterung besteht darin, dass zerhacktes Fiberglas und nichtverstärktes thermoplastisches Kunstharz direkt in den Trichter einer Spritzgussmaschine mit sich hin und her bewegender Schnecke eingeführt werden. Somit wird das Strangpressmischen in der Schneckenspritzgussmaschine ausgeführt, die auch das Endprodukt herstellt. Die Produkte, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, haben ähnliche Eigenschaften wie die mit kurzem Glas verstärkten thermoplastischen Stoffe, die oben erwähnt sind.
Gegenwärtig existieren in der Industrie zwei ähnliche Verfahren zum Herstellen von mit kurzem Glas verstärkten thermoplastischen Kunstharzen. Das eine Verfahren betrifft die Zufuhr von zuvor zerhackte Fiberglas und nichtverstärktem thermoplastischem Stoff in getrennten Strömen zum Trichter der Schnecken spritzgussmaschine, während das andere Verfahren das Zerhacken von kontinuierlichen Fiberglassträngen unmittelbar über dem Trichter der Spritzgussmaschine vor- schlägt, wobei das frisch zerhackte Glas im Trichter mit nichtverstärktem the.rmoplastischem Kunstharz gemischt wird.
Unabhängig von der Art, in der das Fiberglas zum Trichter der Spritzgussmaschine geführt wird, ist es bei beiden Verfahren nicht möglich, das Fiberglas in dem plastischen Kunstharz in angemessener Weise fein zu verteilen, so dass oft Fibergiasklumpen und Kunstharzanhäufungen in dem Gussstück entstehen. Die Bildung von Fiberglasklumpen und/oder Kunstharzanhäufungen führt zu unberechenbaren und ungleichmässigen physikalischen Eigenschaften des gesamten Gussstücks. Fiberglasklumpen zeigen ausserdem die Tendenz, sich an der Oberfläche des Gussstücks anzusammeln, so dass sie anschliessende Arbeitsgänge, wie Lackieren, Vakuummetallbeschichten, oder galvanische Behandlungen stö ren.
Ausserdem führt bei dem oben beschriebenen zweiten Verfahren das Zerhacken kontinuierlichef Fiberglasstränge dazu, dass grosse Mengen äusserst feiner Faserglasteilchen entstehen, die leicht durch die Luft fliegen und so zu einem bedeutenden Reinigungsproblem und zu gesundhei.tlichen Schäden führen können.
Trotz der Tatsache, dass zerhacktes Fiberglas, das mit dem unverstärkten Kunstharz der Spritzgussmaschine zugeführt wird, mit ein oder zwei Prozent eines Bindekunstharzes beschichtet worden ist, liegt das Glas im wesentlichen frei und bewirkt eine starke Abnutzung sowohl des Zylinders als auch der Schnecke der Spritzgussmaschine, wenn es mft einem thermoplastischen Kunstharz gemischt wird. Dieses schwerwiegende Abnutzungsproblem wurde in der Kunststoffindustrie überall festgestellt.
An dieser Stelle soll kurz erwähnt werden, dass bestimmte Bindekunstharze vom Fiberglashersteller auf das Fiberglas aufgebracht werden, um die Behandlung des kontinuierlichen Fibergiasstranges und das Zerhakken in kurze Enden, dem er anschliessend unterzogen wird, zu erleichtern. Diese Bindekunstharze werden gewählt, um die Behandlung zu erleichtern, und oft sind die Harze nicht mit dem thermoplastischen Stoff verträglich, von dem das Fiberglas anschliessend umgeben werden soll.
Eine derartige Unverträglichkeit führt zu schlechten physikalischen Eigenschaften, weil die Fiberglasoberfläche nicht mit dem thermoplastischen Kunstharz benetzt wird. Fiberglashersteiler bringen gewöhnlich ein bis zwei Prozent Bindekunstharz auf die Oberfläche des Fiberglases auf, obwohl die einschlägige Literatur höhere Prozentsätze nennt.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die mit Fiberglas verstärkten thermoplastischen Stoffe, die auf Grund des bekannten Standes der Technik im Handel erhältlich sind, aus Materialien bestehen, die überlegene physikalische Eigenschaften aufweisen und unter Verwendung von langen Glasfasern hergestellt wurden. Die Stoffe mit kurzen Glasfasern wurden durch Strangpressmischen und die Produkte durch die direkte Vermischung von Fibergias und thermoplastischem Kunstharz in einer Schneckenspritzgussmaschine hergestellt.
Die Wirtschaftlichkeit des Vermischens des Fiber glas es mit dem thermoplastischen Stoff in einer Spritzgussmaschine ist sehr gross, da keine weiteren Verfahrensschritte erforderlich sind. Jedoch haben die oben genannten ernsten Nachteile der direkten Mischtechnik verhindert, dass sie von der Industrie in grossem Umfang angewandt wird. Darüberhinaus ist die Fibergiasmenge, die bei einer derartigen Mischtechnik aufgenommen werden kann, sehr begrenzt. Damit verstärkte thermoplastische Stoffe in der Industrie eine grössere Verbreitung finden, müssen sie mit einem minimalen Kostenaufwand hergestellt werden können.
Die vorteilhafte Wirtschaft- lichkeit des direkten Mischens von Fiberglas und thermoplastischem Stoff im Trichter der Spritzgussmaschine könnte zu einer derartigen grösseren Verbreitung führen, wenn nicht die ernsten Nachteile dieses Verfahrens gegeben wären. Der bekannte Stand der Technik zeigt keinen Weg zu Wirtschiaftlichkeit, der mit dem direkten Mischen von Glas und thermoplastischem Material in einer Spritzgussmaschine gleichwertig ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass das direkte Mischsystem am wirtschaftlichsten ist, jedoch unannehmbare Nachteile aufweist. Der Gegenstand der USA Patentschrift Nr. 2 877 501 liefert die besten physikalischen Eigenschaften. Er gestattet jedoch nicht die Herstellung eines Produktes, das mit dem direkten Mischsystem wirtschaftlich gleichwertig ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Herstellen von mit Fiberglas verstärkten thermoptasti- schen Granulaten, die im Trichter einer Spritzgussmaschine mit nichtverstärktem thermopiastischem Material gemischt werden können, wobei die sich ergebende Vdirt- schaftlichkeit ebenso gross wie die bei dem direkten Mischen von nacktem Fiberglas mit einem thermopla- stischen Kunstharz ist.
Dabei soll ein Granulat geschaffen werden, bei dem das Fiberglas in geeigneter Weise mit einem thermoplastischen Kunstharz beschichtet ist, so dass die Abnutzung in einer Spritzgussmaschine auf ein Mindestmass reduziert wird.
Das zu schaffende Granulat soll relativ lange Glasfasern enthalten, die im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Granulates verlaufen und sich im wesentlichen über dessen gesamte Länge erstrecken.
Das erfindungsgemässe Verfahren kennzeichnet sich durch die folgenden Schritte: a) kontinuierliche Durch führung von Glasfasersträngen durch einen Behälter, der ein thermoplastisches Kunstharz enthält, und Imprägnieren der Glasfaserstränge mit etwa 10 bis 30 Gew.% des Kunstharzes; b) Zuführung der mit thermoplastischem Kunstharz imprägnierten Glasfaserstränge zu einer Schneidzone, in der die mit dem Kunstharz imprägnierten Glasfaserstränge zu wenigstens etwa 3,2 mm langen Stücken geschnitten werden, wobei das Schneiden vorgenommen wird, während die imprägnierten Glasfaserstränge auf einer Temperatur von wenigstens 26,70 C gehalten werden.
Das nach diesem Verfahren hergestellte mit einem Fiberglas verstärkte thermoplastische Granulat ist dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoplastisches Kunstharz eine Vielzahl von Glasfasern enthält, die im wesentlichen von dem thermoplastischen Kunstharz umgeben und gehalten werden und spaltfest sind, wobei sich die Glasfasern überwiegend über die gesamte Länge des Granulates und im wesentlichen parallel zu dessen Längsrichtung erstrecken und der Gewichtsanteil der Glasfasern etwa 70 bis etwa 90 S beträgt, während der Rest im wesentlichen aus dem thermoplastischen Kunstharz besteht, wobei die Länge des Granulates wenigstens etwa 3,2 mm beträgt.
In der Folge wird die Bedeutung bestimmter Ausdrücke in dieser Beschreibung und den Ansprüchen dargelegt: a) Bei thermoplastischen Granulaten, die zum Spritzglessen vorgesehen sind, ist unter langem Fiberglas eine Glasfaserlänge von mehr als etwa 3,2 mm zu verstehen, wobei sich die Glasfasern im wesentlichen über die gesamte Länge des Kornes erstrecken, während unter kurzem Fiberglas Glasfasern mit einer Länge von weniger als etwa 3,2 mm zu verstehen sind.
b) Vielzahl bedeutet im Zusammenhang mit Glasfasern, dass eine grosse Anzahl von tinzelfasern in den Fiberglassträngen enthalten sind.
c) Imprägnieren bedeutet in dieser Beschreibung ein derartiges Durchdringen eines Fiberglasstranges mit einem thermoplastischen Kunstharz, dass bei optimalen Bedingungen jede einzelne Glasfaser mit dem thermoplastischen Kunstharz beschichtet ist.
In der Zeichnung, die einige Vorteile der Erfindung veranschaulicht, ist:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist, und
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, die zur Durchführung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist.
Bei dem Verfahren, das mit der Vorrichtung gemäss Fig. 1 durchgeführt wird, werden Glasstränge 10 (mehrere derartige Stränge werden in Wirklichkeit gemäss den Einzelheiten angewandt, die aus der USA-Patentschrift Nr. 3 119 718, auf die hier Bezug genommen wird, ersichtlich sind) von geeigneten Spulen 11 aus durch ein Bad 12 geführt, das die Form einer wässrigen Emulsion oder Lösung des thermoplastischen Kunstharzes oder einer Lösung des thermoplastischen Kunstharzes in einem geeigneten Lösungsmittel, das den Strang durchdringt, haben kann. Der Giasstrang wird anschliessend durch einen Ofen 13 geführt, in dem das Wasser der Emulsion oder das Lösungsmittel der Lösung entfernt und das Kunstharz geschmolzen wird.
Nach dem Erstarren des Kunstharzes wird der imprägnierte Strang durch eine Reihe von Heizungen, die allgemein mit 14 bezeichnet sind, geführt. In den Heizungen 14 wird die Temperatur des Stranges gegebenenfalls auf eine angemessene Höhe gebracht, die zum Pelletisieren in der Einheit 15 geeignet ist. Wenn der Strang wie oben angegeben geschnitten worden ist, werden die geschnittenen Stücke in einer Einheit 16 gesiebt, um Stücke, die nicht zu der gewünschten Grösse geschnitten wurden, zu entfernen, worauf das Produkt zum Verpacken in der Station 17 fertig ist. Die vorstehend beschriebenen allgemeinen Verfahrensschritte legen lediglich dar, was bei einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens geschieht. Eine genauere Offenbarung jedes dieser allgemeinen Schritte enthält die US-Patentschrift Nr. 3 119 718 vom 28. Januar 1964, auf die hier Bezug genommen wurde.
Bei dem Verfahren, das mit der Vorrichtung gemäss Fig. 2 durchgeführt wird, werden Glas stränge 20 von einer geeigneten Spule (nicht dargestellt) aus durch einen Trog 21 geführt, der eine geeignete Kunsthzafz- emulsionslösung enthält, falls eine Vorimprägnierung der Stränge erforderlich ist. Beim Durchlaufen durch den Trog 21 werden die Stränge mit dem Kunstharz imprägniert. Nach Verlassen des Trogs 21 werden die imprägnierten Stränge durch einen Ofen 22 geführt, in dem alle flüchtigen Bestandteile entfernt werden und das Kunstharz geschmolzen wird. Von dem Ofen 22 gelangen die Stränge in eine Kammer 23, die in der Folge als Speicher bezeichnet wird und geschmolzenes thermoplastisches Kunstharz enthält.
In seinem mittleren Bereich weist der Speicher 23 eine Sammelform 24 auf, die die Stränge zu einem einzigen Bündel 25 vereinigt, das durch eine mit der Sammeiform 24 ausgerichtete Öffnung aus dem Speicher austritt. Nach einer angemessenen Kühlung, beispielsweise durch Durchführen durch ein Wasserbecken 26, um das in dem Speicher aufgebrachte thermoplastische Kunstharz zum Erstarren zu bringen, läuft das Bündel 25 durchtan- getriebene Lieferwalzen 27, die dazu dienen, die Stränge durch die Vorrichtung zu ziehen. Hinter den Lieferwalzen 27 läuft das Bündel durch eine Schere 28, von der es in kurze Enden geschnitten wird, so dass die gewünschten Tabletten oder Körner hergestellt werden.
Falls dies erforderlich ist, kann das imprägnierte Bündel an einer Reihe von Heizungen entldanggeführt werden, die allgemein mit 29 bezeichnet sind und von denen die Temperatur des Bündels auf eine Höhe gebracht wird, die zum Pelletisieren mittels der Schere 28 geeignet ist.
Wie im Falle von Fig. 1 gehen aus Fig. 2 lediglich die allgemeinen Verfahrensschritte hervor, während eine vollständigere und genauere Beschreibung der Vorrichtung aus der USA-Patentschrift Nr. 3 042 570 hervorgeht, auf deren Offenbarung hier Bezug genommen wird. Es wird darauf hingewiesen, dass in keiner der USA-Patentschriften Nrn. 3 119 718 und 3 042 570 ein zwangläufiger Heizschritt für den imprägnierten Strang vor dem Pelletisieren dargestellt ist. Um den Strang in einen für das Pelletisieren geeigneten Zustand zu bringen, kann ein derartiger Heizschritt jedoch erforderlich und gemäss Fig. 1 durch die Verwendung von Lampen, beispielsweise Infrarotiampen, oder durch irgendeine andere geeignete Heizquelle ohne weiteres erzielt werden.
Die Form der Stränge 10 und 20 sowie ihre Anzahl, die zu einem einzigen Bündel zusammengefasst wird, kann auf Grund einer Anzahl von Faktoren, beispielsweise die Querabmessungen der fertigen Tabletten, Ver hältnisse zwischen Glas und Kunstharz in dem fertigen Produkt, der Bedeutung eines guten Kontakts zwischen den Glasfasern und dem Kunstharz, einer bequemen Herstellung usw., sehr unterschiedlich sein. Bei vielen Formverbindungen kann jeder Strang 8 bis 120 Enden umfassen. Jedes Ende besteht aus etwa 200 einzelnen Glasfasern. Wenn ein guter Kontakt zwischen den Glasfasern und dem Kunstharz wichtig ist, kann es wün- schenswert sein, die Anzahl der Enden jedes Stranges zu vermindern.
Die Vorrichtung, die dazu verwendet wird, die entsprechenden Kunstharze aufzubringen, kann sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Dies hängt jeweils von Faktoren wie den angewandten Kunstharzen, einer bequemen Herstellung und den erforderlichen Eigenschaften des Endprodukts ab. Deshalb beschränkt sich die Erfindung m ihrem vollen Umfang nicht auf irgendeine besondere Imprägnierungs- oder Beschichtungsvorrichtung. Während die Vorrichtung, die mit den oben beschriebenen Im prägniermittelarten arbeitet, einen grossen Verwendungsbereich hat, können die Kunstharze aufgebracht werden, indem die Stränge durch flüssige Dispersionen geführt werden. Die Kunstharze können auch durch Schmelzbeschichter aufgebracht werden.
In einigen Fällen kann es zweckmässig sein, das Kunstharz unter Verwendung einer Ubertragungs- oder Kontaktwalze, die teilweise in ein Kunstharzbad eingetaucht ist, aufzubringen. Wenn ein Bad verwendet wird, kann das flüssige Imprägnierungs- und Beschichtungsmaterial jede geeignete Form haben. So kann es eine Emulsion, eine Lösung, ein Präpolymer oder sogar ein Monomer sein. In den letz- teren Fällen kann das Bad einen geeigneten Polymerisationskatalysator enthalten und durch Einschluss eines feinverteilten Copolymers auf die gewünschte Viskosität gebracht werden. Die Viskosität eines Bades wirkt sich auf die Menge Badmaterial aus, das beim Durchlaufen vom Strang oder von der Strähne aufgenommen wird.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht in einem Verfahren zum Herstellen von Granulaten in der :Form eines Konzentrates, das beim Spritzgiessen Verwendung findet. Das Verfahren zum Herstellen des Konzentrats umfasst bestimmte wichtige Schritte, bei deren Nichtdurchführung es zu einem Versagen kommt.
Solche Konzentrate können zusammen mit unverstärkten thermoplastischen Granulaten dem Fülltrichter einer Spritzgussmaschine zugeführt werden, um einen Spritz gussartikel herzustellen, der wesentlich bessere Eigenschaften als ein solcher aus unverstärktem Granulat hat.
Das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen von thermoplastischem Kunstharz auf die Glasfasern ist ein kontinuierliches Verfahren, bei dem Stränge durch einen Speicher geführt werden, der beispielsweise eine Polystyrolemulsion enthält. Die Stränge werden vor ihrer Einführung in den Speicher des thermoplastischen Kunstharzes oder während sie im Speicher eingetaucht sind durch irgendein geeignetes Mittel geöffnet, und die Kunstharzmenge, die von dem Strang aufgenommen wird, wird durch irgendeinen der folgenden Faktoren geregelt:
a) Durchlaufgeschwindigkeit des Stranges durch das Kunstharz (gleich Verweilzeit des Stranges im Kunst harz), b) Konzentration des thermoplastischen Kunstharzes in der Emulsion oder Lösung, c) Viskosität der Emulsion, Lösung oder Schmelze des thermoplastischen Kunstharzes, und d) der Grad, bis zu dem überschüssiges Kunstharz durch geeignete Mechanismen, beispielsweise eine ver engte Öffnung, durch die der Strang gezogen wird, ab gestreift wird.
Somit kann die vom Strang aufgenommene Kunstharzmenge durch Anwendung einer der vorstehenden
Möglichkeiten genau geregelt werden.
Nachdem der Strang durch den thermoplastisches Kunstharz enthaltenden Speicher geführt worden ist, kann es durch einen Ofen geführt werden, der auf 204 bis 3710 G gehalten wird, um Wasser und/oder andere flüchtige Bestandteile zu entfernen und das Kunstharz zu schmelzen. Die spezifischen Temperaturen, die im
Ofen angewandt werden, hängen von den angewandten
Kunstharzen und von den Mitteln, mit denen sie auf den Fiberglasstrang gebracht werden, ab.
Wenn Emul sionen des thermoplastischen Kunstharzes angewandt wurden, um den Fiberglasstrang zu imprägnieren, muss eine beträchtliche Hitze angewandt werden, um das in der Emulsion enthaltene Wasser zu entfernen. Wenn bestimmte thermoplastische Kunstharze verwendet werden und insbesondere, wenn diese Kunstharze mittels einer Lösung aufgebracht werden, kann es wünschenswert sein, das Entfernen der flüchtigen Bestandteile in zwei Schritten vorzunehmen.
Nach der Durchführung des Stranges durch die Lösung des thermoplastischen Kunststoffes wird er durch einen Ofen geführt, der auf einer niedrigen Temperatur gehalten wird, um das Lösungsmittel ohne Feuer- oder Explosionsgefahr aus den Lösungsdämpfen zu entfernen. Anschliessend wird der Strang durch einen zweiten Ofen oder eine Zone höherer Temperatur in dem ersten Ofen, der bzw. die auf 204 bis 3710 C gehalten wird, geführt, um das thermoplastische Kunstharz san den Fiberglasstrang anzu- schmelzen. Wenn die Schmelzbeschichtung des Fiberglas stranges mit dem thermoplastischen Kunstharz gemäss Fig. 2 durchgeführt worden ist, ist die Verwendung von Öfen, mit denen das thermoplastische Kunstharz an den Strang angeschmolzen wird, gewöhnlich nicht erforderlich.
Im Anschluss an den Imprägnierungsvorganggemäss Fig. 2 können die Stränge von der Schmelzimprägnie- rungszone zu einer Kühlzone geführt werden, in der sie so weit abgekühlt werden, dass mit ihnen hantiert werden kann. Im anderen Falle, d. h. bei Anwendung des Imprägniervorgangs gemäss Fig. 1, können die Stränge aus der Heizzone (Emulsions- oder Lösungsimprägnierung) entfernt werden, und gegebenenfalls können die Stränge (mittels eines der früher beschriebenen herkömmlichen Heizmittel) einer weiteren Hitzeeinwirkung ausgesetzt werden, damit sie geeignete Schneidtemperaturen erhalten.
Es ist ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens, dass die Stränge aus mit tlhermoplastischem Kunstharz imprägniertem Fiberglas oberhalb einer bestimmten Mindesttemperatur pelletisiert oder geschnitten werden müssen, wenn eine geeignete Ausbeute an annehmbaren Tabletten erzielt werden soll. Die minimale Schneidtemperatur für jeden mit thermoplastischem Kunstharz getränkten Fiberglasstfang steht nicht mit der amorphen oder kristallinen Struktur des thermoplastischen Kunstharzes an dem Strang in Beziehung, sondern wird bei Durchführung des Verfahrens routinemässig bestimmt. Im allgemeinen wurde gefunden, dass die minimale Schneidtemperatur bei 26,70 C liegt.
Wenn kurze Tabletten mit einer Länge von 3,2 bis 6,35 mm, bei denen das Zerbrechen während des Pelletisierens ein Problem ist, hergestellt werden, müssen die minimalen Schneidtemperaturen im Sallgemeinen höher sein als beim Schneiden von längeren Tabletten, die beispielsweise 12,7 mm lang sind. Die Temperatur des Stranges darf jedoch nicht so hoch sein, dass geschnittene Tabletten aneinanderhaften, d. h. dass das Kunstharz nicht bis zur Haftstufe erhitzt werden darf.
Ausserdem darf die Temperatur des Stranges nicht so hoch sein, dass der Strang an den Zugwalzen anhaftet.
Wenn der Strang nicht auf die geeignete Temperatur erhitzt ist, findet kein akzeptables Pelletisieren statt, und das Produkt ist eine Masse aus gebrochenem Fiberglas und Kunstharz. Es ist wichtig, dass zum Spritzgiessen Verwendung findendes Konzentrat-Granulat, das hier beschrieben wird, eine Länge von wenigstens etwa 3,2 bis 6,35 mm haben und vorzugsweise 12,7 mm aufweisen sollte. Wenn die Länge der Tablette geringer als etwa 3,2 bis 6,35 mm ist, treten während des Pelletierens starke Brüche auf, und es ist nicht möglich, einen akzeptablen Spritzgussstoff herzustellen. Ein Vorteil ist, wenn der Durchmesser des Granulates wenigstens etwa
1,6 mm beträgt. In der Folge werden einige Beispiele gegeben, um einige der oben genannten Punkte zu ver anschaulichen.
Das zum Spritzgiessen bestimmte Konzentratgranulat muss bestimmte minimale physikalische Eigenschaf ten aufweisen, damit es zum Spritzgiessen geeignet ist.
Die Tabletten müssen steif sein, damit sie in der Spritzgussmaschine verarbeitet werden können; sie müssen ausserdem eine bestimmte Spaltfestigkeit aufweisen, die für das Pelletisieren und die anschliessende Behandlung der Tabletten wichtig ist. Diese Eigenschaften werden in der Folge beispielshaft weiter erläutert und veranschaulicht.
Das zum Spritzgiessen dienende Konzentratgranulat muss ein bestimmtes Widerstandsvermögen aufweisen, so dass es mit den vielfältigen Techniken, die bisher in der Kunststoffindustrie angewandt wurden, wie Schneckenförderung, Zufuhr durch Rütteltrichter, Aufbewahrung und Entnahme aus Schüttgutbehältern, Scheuern und Mischen in Trommeln, Bandmischen, Doppelkegelmischen oder anderen Behandlungsverfahren, bei denen die Tabletten Schlag- oder Reibkräften -ausgrsetz'.- sind, behandelt werden kann.
Zwar wurde vorstehend hinsichtlich der Verwendung des Kenzentratgranulates auf Spritzgussverfahren Bezug genommen, jedoch beschränkt sich ihr Anwendungsgebiet nicht auf diese Verwendungszwecke. Beispielsweise kann das Konzentratgranulat in geeigneter Weise mit unverstärkten Kunstharzen gemischt werden, die für Fliesspress-, Blasform-, Übertragungs- und Formpressverfahren geeignet sind.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung weiter veranschaulichen.
Beispiel 1
Eine Reihe von Glassträngen aus 60 Enden wurde gemäss Fig. 1 durch eine Polystyrolemulsion geführt.
Nach Eintauchen in die Emulsion wurde der Glasstrang abgewischt und getrocknet, so dass 20 % Kunstharz übrigblieben, wobei die übrigen 80 Gew.% Glasfasern waren. Der nasse Strang wurde durch einen unter 260 bis 3160 C gehaltenen Ofen geführt, um das Wasser aus der Emulsion zu beseitigen und dann das Kunstharz um den Glasstrang zu schmelzen. Der mit Kunstharz beschichtete Strang wurde mit Hilfe von Infrafotheizungen auf einer Temperatur von etwa 65,50 C gehalten und bei dieser Temperatur erfolgreich in etwa 12,7 mm lange Tabletten zerhackt. Die eine Glasfaserkonzentration enthaltenden Spritzgusskörner wurden anschliessend mit unverstärkten Polystyroltabletten gemischt, um eine Pressmasse zu erhalten, die einen Teil nützlicher Glasbestandteile enthielt.
Die Tabelle III zeigt Beispiele der physikalischen Eigenschaften derartiger Gemische, die 0, 20 und 35 % Glasverstärkung enthalten.
Tabelle III
Eigenschaft ASTM 0% Glas 20% Glas 35% Glas Zugfestigkeit, kg/cm D638-61T 570 844 984 Dehnung, % D638-61T 2,2 2,0 2,0 Elastizitätsmodul, kg/cm2 D638 61T 32300 59 100 84400 Kerbschlagzähigkeit nach dem Izod- D256-56 4,14 20,7 34,5
Prüfverfahren, cmkglcm2 Biegetemperatur, C bei 18,58 kg/cm2 D648-56 92,7 103,3 105,5
Die Daten in Tabelle III zeigen die Nützlichkeit der Konzentratgranuiate. Ein ähnliches Produkt wurde unter ähnlichen Bedingungen aus einem Styroiacryt- nitrillatex hergestellt.
Weil ein Teil eines 80 % Glas verstärkten Kon n- trates vom Spritzgiesser mit drei Teilen nichtverstärktem Kunstharz gemischt wird, um 4 Gewichtsteile mit 20 % Glas verstärktem Gemisch herzustellen, erfordert die Herstellung nur ein Viertel des Arbeitsaufwands, Verpackungsmaterials und der Ausrüstung gegenüber dem Fall, bei dem 4 Gewichtsteile 20 % ig verstärkter thermoplastischer Stoff hergestellt werden. Die sich daraus ergebenden wirtschaftlichen Einsparungen ermöglichen es, dass der Hersteller ein mit 20 % Glas verstärktes thermoplastisches Kunstharz zu etwa der Hälfte der Kosten erhält, die bei Verfahren gemäss dem Stand der Technik entstehen. Ähnliche Kosteneinsparungen können durch die folgenden Beispiele veranschaulicht werden.
Beispiel 2
Ein Polypropylenkunstharz wurde in einem Extruder geschmolzen und dazu verwendet, einen Glas strang gemäss Fig. 2 direkt zu imprägnieren, um ein Produkt zu erhalten, das etwa 75 % Glas enthielt. Die Stränge wurden erfolgreich in etwa 9,54 mm lange Tabletten zerschnitten, wobei sie auf einer Temperatur von 82,20 C gehalten wurden. Die Tabletten wurden anschliessend mit nichtverstärktem Polypropylen bis zu einem Gesamtglasgehalt von 20,dz gemischt. Durch Formen dieses Gemisches wurden die folgenden physikalischen Eigenschaften erzielt.
Tabelle IV
ASTM-Versuch Zugfestigkeit, kg/cm2 D638-61T 422 Biegefestigkeit, kg/cm2 D790-63 492 Kerbschlagzähigkeit nach dem D256-56 31,7
Izod-Prüfverfahren, cmkg/cm2 Biegetemperatur, D648-56 138 C bei 18,58 kg/cm2
Diese Daten wurden bei Verwendung von herkömmlichem homopolymerem Polypropylen erzielt. Jedoch kan copolymeres Polypropylen ähnlich verwendet werden.
Beispiel 3
Eine Reihe von aus 60 Enden bestehenden Glassträngen wurde gemäss Fig. 1 durch eine handelsübliche Polynrethanemulsion geführt. Nach ihrem Austritt aus der Emulsion wurden die Glasstränge abgewischt und getrocknet, so dass 20 y Kunstharz übrigblieben, wäh rend die übrigen 80 Gew.% Glasfasern waren. Der nasse Strang wurde durch einen unter etwa 2600 C stehenden Ofen geführt, um zuerst das Wasser aus der Emulsion zu entfernen und dann das Polyurethankunstharz um die Glasfasern zu schmelzen. Der mit Kunstharz beschichtete Strang wurde unter einer Temperatur von etwa 65,60 C gehalten und bei dieser Temperatur erfolgreich in etwa 12,7 mm lange Tabletten zerhackt.
Die eine Glasfaserkonzentration enthaltenen Spritzguss- körner wurden anschliessend mit unverstärktem Kunstharz gemischt und zu Versuchsproben gepresst. Es wurden ähnliche verbesserte Eigenschaften festgestellt.
Beispiel 4
Eine Emulsion von Polyäthylenpulver hoher Dichte in Wasser wurde gesondert hergestellt. Anschliessend wurde eine Reihe von aus 60 Enden beslehenden Glassträngen gemäss Fig. 1 durch diese Emulsion geführt.
Nach dem Eintauchen in die Emulsion wurden die Glasstränge abgemischt und getrocknet, so dass 20 % Kunstharz übrighlieben, während die übrigen 80 Gew.% Glasfasern waren. Der nasse Strang wurde bei 2880 C durch einen Ofen geführt, um zuerst das Wasser aus der Emulsion zu entfernen und dann das Polyäthylen kunstharz um die Glasfasern zu schmelzen. Der mit dem Polyäthylenkunstharz imprägnierte Strang wurde auf einer Temperatur von etwa 65,60 C gehalten und bei dieser Temperatur erfolgreich in etwa 12,7 mm lange Tabletten zerhackt. Die eine Giasfaserkonzentration enthaltenden Spritzgusskörner wurden anschliessend mit un verstärkten Polyäthylentabletten gemischt, um eine 20 % Glas enthaltende Pressmasse zu erzielen.
Diese Pressmasse wurde zu Versuchsproben spritzgegossen, die die folgenden Eigenschaften zeigten.
Tabelle V
ASTM-Versuch Zugfestigkeit, kg/cm2 D638-f61T 475 Biegefestigkeit, kg/cm2 D790-63 562 Kerbschlagzähigkeit nach dem D256-516 27,6
Izod-Prüfverfahren, cmkg/cm2 Biegetemperatur, D648-56 126,7 OC bei 18,48 kg/cm2
Beispiel 5
Eine Lösung allgemein üblichen Polystyrolkunstharzes in Toluol als Lösungsmittel wurde so hergestellt, dass sie 5 % Polystyrol enthielt. Dann wurde eine Reihe von aus 60 Enden bestehenden Glassträngen gemäss Fig. 1 durch diese Lösung geführt. Nach ihrem Eintauchen in die Lösung wurden die Glasstränge abgewischt und getrocknet, so dass 25 % Kunstharz übrigblieben, während die übrigen 75 % Glasfasern waren.
Der nasse Strang wurde bei 2040 C durch einen Ofen geführt, um zuerst das Toluol aus der Lösung zu entfernen und dann das Polystyrolkunstharz um die Glasfasern zu schmelzen. Der mit Polystyrolkunstharz imprägnierte Strang wurde auf einer Temperatur von etwa 65,60 C gehalten und bei dieser Temperatur erfolgreich in etwa 12,7 mm lange Tabletten zerhackt. Die eine Giasfaserkonzentration enthaltenden Spritzgusskörner wurden anschliessend mit unverstärkten Polystyroltabletten gemischt, um eine Pressmasse herzustellen, die 20 % Glas enthielt. Diese Pressmasse wurde zu Versuchsproben spritzgegossen, die ähnliche Eigenschaften wie die in Tabelle II bei 20 % Fiberglas dargestellten Versuchsproben aufwiesen.
Wie früher bereits erwähnt wurde, müssen die Konzentrattabletten bei einer beseimmien erhöhten Temperatur geschnitten werden, die von Kunstharz zu Kunstharz variiert, jedoch immer erforderlich ist, wenn die erfindungsgemässen Ergebnisse erzielt werden sollen. So liegt im Falle von Polystyrol eine zum Schneiden oder Pelletisieren geeignete Strangtemperatur etwa bei 26,7 bis 76,70 C, vorzugsweise 37,8 bis etwa 71,10 C. Der gleiche Temperaturbereich gilt für Konzentrate, die aus Styirol-Acrylnitrilcopolymeren (SAN) hergestellt werden.
Bei den genannten Temperaturen kann das Pelletisieren mit Erfolg vorgenommen werden und ergibt eine akzeptable Minimalanzahl von zersplitterten und gebro- chenen Tabletten. Obwohl es schwierig ist, eine geeignete Strangtemperatur für alle thermoplastischen Kunstharze anzugeben, kann gesagt werden, dass die Pelle tisiertemperaturen über 26,70 C, vorzugsweise über 32,20 C liegen sollten, wobei sie jedoch nicht so hoch sein dürfen, dass sich aus den geschnittenen Tabletten durch Aneinanderhaften Klumpen bilden. Andere geeignete Temperaturen sind: für Polyäthylen von 32,2 bis 60,00 C, für Polypropylen von 37,8 bis 71,10 C, für Polystyrol von 37,8 bis 71,10 C.
Obwohl die physikalischen Eigenschaften der Konzentrate selbst in Strang- oder Tablettenform normalerweise nicht ermittelt wurden, weil ihr grundsätzlicher Verwendungszweck darin besteht, dass sie mit nichtverstärkten Kunstharzen gemischt werden, wurden zur weiteren Charakterisierung der Beschaffenheit dieser Konzentrate die folgenden Eigenschaften festgestellt. In der folgenden Tabelle VI wird die Kerbschlagzähigkeit eines einzigen Stranges aus 60 mit Polystyrolkunstharz imprägnierten Enden Fiberglas, gemessen nach dem Izod-Prüfverfahren, in Übereinstimmung mit dem allgemeinen Verfahren und den Mitteln, die in der ASTM Prüfung D-256-56 spezifiziert sind, bestimmt. Es ist klar, dass der Halter für die Probe abgeändert wurde, so dass er die einzige Strangprobe hielt.
Mit der Enden rung des Glasgehalts des Stranges stieg die Kerbzähigkeit schnell an und verringerte sich beim Erreichen von 100 S Glas.
Tabelle VI
Kerbschlagzähigkeit % Glas cmkg/cm2
0 33,1 30 276
80 179
90 55,2
100 0
Wie bereits gesagt wurde, müssen die Tabletten eine bestimmte minimale Spaltfestigkeiï besitzen, damit sie bei handelsüblichen Spritzgusseinrichtungen verwendet werden können. Zusätzlich muss der imprägnierte Strang eine Spaltfestigkeit aufweisen, die gross genug ist, damit ein Pelletisieren vorgenommen werden kann. Gemäss einer Prüfung, die besonders diesem Zweck angepasst wurde, beträgt die Spaltfestigkeit einer Tablette vorzugsweise etwa 7 kg/cm2. Die Spaltfestigkeit einer Tablette wurde bestimmt, indem die Kraft gemessen wurde, die erforderlich ist, um eine gewöhnliche Stricknadel Nr. 1 mit einer Geschwindigkeit von 0,25 cm/min durch den Durchmesser einer Tablette zu stossen.
Die Kraft wurde mittels eines genormten Instron-Testers gemessen, und der Wert wurde durch den Querschnittsbereich der Tablette dividiert, um die Werte auf die gleiche Basis zu bringen. Für alle diese Verfahren wurden mit Polystyrol imprägnierte Tabletten verwendet.
Alle Proben, die Glas enthielten, spalteten sich über die Länge der Tablette, was auf Grund der ausgerichteten Fasern zu erwarten ist. Jedoch spalteten sich die 0 % Glas enthaltenden Tabletten (unverstärktes Polystyrol) am Durchstosspunkt rechtwinklig zur Länge, was erwartet wurde, da kein Glas enthalten ist und eine Spaltung in der schwächsten Richtung auftritt. Jeder Wert stellt den Durchschnitt von etwa 15 einzelnen Bestimmungen dar.
Die Daten waren:
Tabelle VII % Glas Spaltfestigkeit, kg/cm 0 482
30 285,5
80 160,l6,
90 32,15
100 0
Somit ist ersichtlich, dass zur Erzielung der verbesserten Granulate gemäss der Erfindung verschiedene wichtige Faktoren erfüllt werden müssen, und dass jeder dieser Faktoren zum Gesamtfortschritt der Erfindung beiträgt.
Die vorstehenden Beispiele zeigen ausserdem, dass jedes thermoplastische Kunstharz bei dem erfindungsgemässen Verfahren angewandt werden kann. Zu diesen thermoplastischen Kunstharzen gehören
Polystyrol, die Acrylharze,
Acrylnitril-Butadien-Styrol-(ABS)-Harze, Polyvinylchloridharze,
Polyformaldehydharze,
Polysulfonharze, Polyphenylenoxydliarze,
Polyamidharze wie Nylon,
Polyesterharze,
Polyolefinharze,
Polycarbonatharze und viele andere.
Die Glasstränge, die bei der Erfindung Verwendung finden, können mit vielen im Handel erhältlichen Leimen, wie Polyestern, Polyvinylacetaten und/oder Silan - oder Chromkomplexbindemitteln getränkt werden.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zum Herstellen von mit Fiberglas verstärkten thermoplastischen Granulaten, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) kontinuierliche Durchführung von Glasfaserstfän- gen durch einen Behälter, der ein thermoplastisches Kunstharz enthält, und Imprägnieren der Glasfaserstränge mit etwa 10 bis 30 Gew.% des Kunstharzes, b) Zuführung der mit thermoplastischem Kunstharz imprägnierten Giasfasersträngen zu einer Schneidzone, in der die mit dem Kunstharz imprägnierten Glasfaserstränge zu wenigstens etwa 3,2 mm langen Stücken geschnitten werden, wobei das Schneiden vorgenommen wird, während die imprägnierten Giasfaserstränge auf einer Temperatur von wenigstens 26,70 C gehalten werden.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaserstränge durch eine Emul- sion eines thermoplastischen Kunstharzes geführt werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet dass die Glasfaserstfänge durch eine Suspension eines thermoplastischen Kunstharzes geführt werden.
3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaserstränge durch eine Lösung eines thermoplastischen Kunstharzes geführt werden.
4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaserstränge durch eine Schmelze eines thermoplastischen Kunstharzes geführt werden.
5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaserstränge durch eine Emulsion eines Polystyrolharzes geführt werden.
6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaserstränge imprägniert werden, indem sie durch eine Emulsion eines Styrol Acrylnitrilcopolymerharzes geführt werden.
7. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaserstränge imprägniert werden, indem sie durch eine Suspension eines Polyäthylenharzes geführt werden.
PATENTANSPRUCH II
Nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I hergestelltes, mit Fiberglas verstärktes thermoplastisches Granulat, dadurch gekennzeichnet dass ein thermoplastisches Kunstharz eine Vielzahl von Glasfasern enthält, die im wesentlichen von dem thermoplastischen Kunstharz umgeben und gehalten werden und spaltfest sind, wobei sich die Glasfasern überwiegend über die gesamte Länge des Granulates und im wesentlichen parallel zu dessen Längsrichtung erstrecken und der Gewichtsanteil der Glasfasern etwa 70 % bis etwa 90 % beträgt, während der Rest im wesentlichen aus dem thermoplastischen Kunstharz besteht, wobei die Länge des Granulats wenigstens etwa 3,2 mm beträgt.
UNTERANSPRÜCHE
8. Granulat nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der Glasfasern etwa 75 bis 85 % beträgt.
9. Granulat nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Kunstharz Polystyrol ist.
10. Granulat nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Kunstharz ein Styrol-Aorylnitrilcopolymer ist.
11. Granulat nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Kunstharz ein Polyäthylenharz ist.
12. Granulat nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet dass das thermoplasíische Kunstharz ein Polypropyienharz ist.
13. Granulat nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Kunstharz ein Polycarbonatharz ist.
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Process for the production of thermoplastic granulates reinforced with fiberglass
The invention relates to a method of making fiberglass reinforced thermoplastic granules, and more particularly to the technique of making fiberglass reinforced granulated injection molding concentrates.
Thermoplastic synthetic resins reinforced with glass fibers and used for injection molding have become very important in the last ten years because of their superior physical properties compared to their unreinforced counterparts. Brittle synthetic resins such as homopolymer styrene (crystal form or general purpose) have been improved and found use in areas previously closed to such synthetic resins.
A reinforcement with glass fibers thus leads to at least a doubling of the tensile strength, to an improvement in the impact resistance both at low and at room temperature, to an increase in rigidity, to a reduction in cold flow and the coefficient of thermal expansion, to an increase in heat resistance and to improve other properties, so that the properties of such improved plastics approach the properties of some metals.
The following table illustrates the improvements that are achieved after fiberglass reinforcement of an inherently unchanged thermoplastic synthetic resin, and compares the resulting properties with those of certain common metals.
Table I.
Notched Impact Bending Temperature Linear Heat
Tensile elongation elasticity toughness with tensile strength modulus according to Izod 18.58 kg / cm2 coefficient unit kg / cm2% kg / cm2 103 cmkg / cm2 C o C ASTM test D638-61T D638-61T D638-61T D256-56 D648 -56 D696-44 Unreinforced nylon 6.6 829.5 60 31.6 13.8 65.6 8.1 X 10 5 40% glass fiber reinforced 2109 2.2 140.8 46.9 260 2.52 X 10-
Nylon 6,6 unreinforced polystyrene 527 3.0 324 6.9 82.22 7.2 X 10-5 35% glass fiber reinforced 1055 1.2 133.8 30.3 104.44 3.24 X 10-5
Polystyrene Unreinforced high pressure 295 800 9.85 27.6 79.44 10.8 X 10-5 polyethylene (at 4.62 kg / cm2) 40% glass fiber reinforced 773 3.5 63.3 55.22 126.67 3, 06 X <RTI
ID = 1.16> 1045
Polyethylene Zinc 2890 10 (creep) - - 2.7 X 10-5 Aluminum 2330-3300 4-9 725 - - 2.16 X 10-5 Magnesium 2390 3 457 - - 2.52 X 10-5
As can be seen from Table I, reinforcing nylon 6-6 with 40% fiberglass increases the tensile strength from 829.5 kg / cm2 to 2109 kg / cm2. While the ductility was reduced from 60% to 2.2% and the modulus of tension was increased from 17,000 kg / cmo to 140,600 kg / cm2, as is also stated, the notched impact strength according to the Izod test method is extremely of 13.8 cmkg / cm2 for unreinforced nylon improved to 46.9 cmkg / cm2 for reinforced nylon.
The bending temperature at a load of 18.48 kg / cm2 increased from 65.60 C for unreinforced nylon to 2600 C for reinforced nylon with fiberglass to an extreme extent, while the linear thermal expansion coefficient of
8.1 x 10-5 0 C- 'was reduced to 2.52 x 10-5 0 C-l. The low ductility, the high modulus of tension and the low coefficient of linear thermal expansion due to the reinforcement of the thermoplastic synthetic resins with fiberglass result in properties that are very similar to the properties of the three basic details used for injection molding, which are listed in the right-hand columns of the table.
As can be seen from the table, similar increases in the strength properties of polystyrene and high density polyethylene are obtained by reinforcing these thermoplastics with fiberglass.
Injection molding materials reinforced with fiberglass according to the table above are described in U.S. Patent No. 2,877,501 by R. Bradt, from which materials are obtained which consist of 15 to 60% by weight of glass fibers, the remainder being the synthetic resin. The properties of the fiberglass reinforced thermoplastics made based on the disclosure of U.S. Patent No. 2,877,501 are the best properties ever found in fiberglass reinforced thermoplastics.
In addition to the process technology according to US Pat. No. 2,877,501, there are other processes for producing glass-reinforced thermoplastics. A material commonly referred to in the industry as short fiberglass reinforced thermal fabric can be made by placing fiberglass previously chopped into short, approximately 1/4 inch ends, along with a thermoplastic material in the feed hopper Extruder and the mixture of fiberglass and the thermoplastic material is injected simultaneously in the form of strands. These strands are then cut into small tablets that are suitable for injection molding. The products manufactured using this process contain glass fibers that are finely divided in the granulate.
However, the fibers are usually extremely short, generally 0.5 to 1.8 mm long, although much longer glass fibers are fed into the extruder. The reduction in fiber length is due to a strong abrasive effect that occurs with the hard thermoplastic tablets and fiberglass when the mixture is compressed in the screw of the extruder. The ultimate physical properties of these so-called short fiberglass reinforced thermoplastics are not equivalent to those referred to as long fiberglass reinforced thermoplastics. This difference is illustrated by a comparison of the physical properties in the following table.
Table II Property ASTM Test Long Glass Short Glass Long Glass Short Glass Tensile Strength at 22.80 C, kg / cm2 D638-61T 2110 1690 984 773 Flexural Modulus at 22.80 C, kg / cm .103 D790-63 126.5 105 84 70 Notched Izod impact strength for D256-56 47 19.3 33.5 6.9
22.80 C, cmkg / cm2 bending temperature at 18.48kg / cm2 in 0C D648-56 260 249 104.4 98.9
As can be seen from the data in Table II, nylon reinforced with short glass has a maximum tensile strength of only 1690 kg / cm2, while nylon reinforced with long glass has a tensile strength of 2110 kg / cm2.
Similarly, the notched impact strength according to the Izod test method of the products reinforced with short glass is very far below the notched impact strength of the counterparts reinforced with long glass. For example, nylon reinforced with short glass has a notched impact strength according to the Izod test method of only 19.3 cmkg / cm2, while nylon reinforced with long glass has a notched impact strength according to the Izod test method of 47 cmkg / cm2. The difference between long and short glass reinforced polystyrene is even more dramatic. Polystyrenes reinforced with short glass have a notched impact strength of only 6.9 cmkg! Cm2, while polystyrenes reinforced with long glass have a notched impact strength of 33.5 cmkg / cm2.
Since the short glass reinforced thermoplastic resins described above can be made by simply extrusion mixing, a logical extension of this process has emerged in the industry. This extension is that chopped fiberglass and unreinforced thermoplastic resin are fed directly into the hopper of an injection molding machine with a reciprocating screw. Thus, the extrusion mixing is carried out in the screw injection molding machine that also makes the final product. The products made by this process have properties similar to the short glass reinforced thermoplastics mentioned above.
There are currently two similar processes in the industry for making short glass reinforced thermoplastic resins. One method involves feeding previously chopped fiberglass and unreinforced thermoplastic material in separate flows to the funnel of the screw injection molding machine, while the other method suggests chopping up continuous fiberglass strands directly above the funnel of the injection molding machine, with the freshly chopped glass in the funnel non-reinforced thermoplastic resin is mixed.
Regardless of the manner in which the fiberglass is fed to the funnel of the injection molding machine, it is not possible with either method to adequately distribute the fiberglass in the plastic resin, so that lumps of fiberglass and resin accumulations often arise in the casting. The formation of fiberglass lumps and / or resin build-up leads to erratic and inconsistent physical properties of the entire casting. Fiberglass lumps also have a tendency to collect on the surface of the casting, so that they interfere with subsequent operations such as painting, vacuum metal coating or galvanic treatments.
In addition, in the second method described above, the chopping of continuous fiberglass strands leads to the formation of large quantities of extremely fine fiberglass particles which can easily fly through the air and thus lead to a significant cleaning problem and health damage.
Despite the fact that chopped fiberglass, which is fed into the injection molding machine with the unreinforced resin, has been coated with one or two percent of a binding resin, the glass is essentially exposed and causes severe wear on both the cylinder and the screw of the injection molding machine, when mixed with a thermoplastic resin. This serious problem of wear and tear has been seen throughout the plastics industry.
At this point it should be mentioned briefly that certain synthetic binding resins are applied to the fiberglass by the fiberglass manufacturer in order to facilitate the treatment of the continuous fiberglass strand and the chopping into short ends to which it is subsequently subjected. These binding resins are chosen to facilitate treatment, and often the resins are incompatible with the thermoplastic material that is to be subsequently used to surround the fiberglass.
Such incompatibility leads to poor physical properties because the fiberglass surface is not wetted with the thermoplastic synthetic resin. Fiberglass makers usually add one to two percent binder resin to the surface of the fiberglass, although the relevant literature indicates higher percentages.
In summary, it can be said that the fiberglass reinforced thermoplastic materials which are commercially available based on the known state of the art are made of materials which have superior physical properties and have been produced using long glass fibers. The short fiberglass fabrics were made by extrusion blending and the products by the direct blending of fiberglass and thermoplastic resin in a screw injection molding machine.
The economy of mixing the fiber glass with the thermoplastic material in an injection molding machine is very high, since no further process steps are required. However, the above serious disadvantages of the direct mixing technique have prevented it from being widely used in industry. In addition, the amount of fiberglass that can be picked up with such a mixing technique is very limited. In order for reinforced thermoplastic materials to become more widespread in industry, it must be possible to manufacture them at a minimal cost.
The advantageous economy of directly mixing fiberglass and thermoplastic material in the hopper of the injection molding machine could lead to such widespread use if it were not for the serious disadvantages of this process. The known state of the art does not show a route to economy which is equivalent to the direct mixing of glass and thermoplastic material in an injection molding machine.
In summary, the direct mixing system is the most economical but has unacceptable disadvantages. U.S. Patent No. 2,877,501 article provides the best physical properties. However, it does not allow the manufacture of a product that is economically equivalent to the direct mixing system.
The object of the invention is therefore a method for producing fiberglass-reinforced thermo-optical granules that can be mixed with non-reinforced thermoplastic material in the funnel of an injection molding machine, the resulting profitability being as great as that when directly mixing bare fiberglass with it a thermoplastic synthetic resin.
The aim is to create a granulate in which the fiberglass is coated in a suitable manner with a thermoplastic synthetic resin, so that the wear and tear in an injection molding machine is reduced to a minimum.
The granulate to be created should contain relatively long glass fibers which run essentially parallel to the longitudinal direction of the granulate and extend essentially over its entire length.
The inventive method is characterized by the following steps: a) continuous implementation of glass fiber strands through a container which contains a thermoplastic synthetic resin, and impregnation of the glass fiber strands with about 10 to 30% by weight of the synthetic resin; b) feeding the glass fiber strands impregnated with thermoplastic synthetic resin to a cutting zone in which the glass fiber strands impregnated with the synthetic resin are cut into pieces at least about 3.2 mm long, the cutting being carried out while the impregnated glass fiber strands are at a temperature of at least 26, 70 C.
The fiberglass-reinforced thermoplastic granulate produced by this method is characterized in that a thermoplastic synthetic resin contains a large number of glass fibers which are essentially surrounded and held by the thermoplastic synthetic resin and are gap-resistant, the glass fibers predominantly extending over the entire length of the Granules and extend essentially parallel to its longitudinal direction and the weight fraction of the glass fibers is about 70 to about 90 S, while the remainder consists essentially of the thermoplastic synthetic resin, the length of the granules being at least about 3.2 mm.
In the following, the meaning of certain expressions in this description and the claims is set out: a) In the case of thermoplastic granulates that are intended for injection molding, long fiberglass means a glass fiber length of more than about 3.2 mm, the glass fibers being in Extend substantially over the entire length of the grain, while short fiberglass is understood to mean glass fibers with a length of less than about 3.2 mm.
b) In connection with glass fibers, multiplicity means that a large number of individual fibers are contained in the fiberglass strands.
c) Impregnation in this description means such a penetration of a fiberglass strand with a thermoplastic synthetic resin that, under optimal conditions, each individual glass fiber is coated with the thermoplastic synthetic resin.
In the drawing illustrating some advantages of the invention is:
1 shows a schematic side view of an exemplary embodiment of a device which is suitable for carrying out the method according to the invention, and
2 shows a schematic plan view of another exemplary embodiment of a device which is suitable for carrying out another embodiment of the method according to the invention.
In the process carried out with the apparatus of FIG. 1, glass strands 10 (several such strands are actually used in accordance with the details given in U.S. Patent No. 3,119,718, which is incorporated herein by reference) are) passed from suitable coils 11 through a bath 12, which can be in the form of an aqueous emulsion or solution of the thermoplastic synthetic resin or a solution of the thermoplastic synthetic resin in a suitable solvent which penetrates the strand. The strand of glass is then passed through an oven 13 in which the water in the emulsion or the solvent in the solution is removed and the synthetic resin is melted.
After the resin has solidified, the impregnated strand is passed through a series of heaters, generally designated 14. In the heaters 14, the temperature of the strand is optionally brought to an appropriate level which is suitable for pelletizing in the unit 15. When the strand has been cut as indicated above, the cut pieces are screened in a unit 16 to remove pieces which have not been cut to the desired size, whereupon the product is ready for packaging in station 17. The general method steps described above merely explain what happens in one embodiment of the method according to the invention. A more detailed disclosure of each of these general steps is contained in U.S. Patent No. 3,119,718 issued January 28, 1964, which is incorporated herein by reference.
In the method which is carried out with the device according to FIG. 2, glass strands 20 are guided from a suitable spool (not shown) through a trough 21 which contains a suitable synthetic emulsion solution, if the strands need to be pre-impregnated. As they pass through the trough 21, the strands are impregnated with the synthetic resin. After leaving the trough 21, the impregnated strands are passed through an oven 22 in which all volatile constituents are removed and the synthetic resin is melted. From the furnace 22, the strands pass into a chamber 23, which will be referred to in the following as a reservoir and contains molten thermoplastic synthetic resin.
In its central area, the store 23 has a collecting mold 24 which unites the strands to form a single bundle 25 which exits the store through an opening aligned with the collecting mold 24. After adequate cooling, for example by passing through a water basin 26, in order to solidify the thermoplastic synthetic resin applied in the reservoir, the bundle 25 runs through driven delivery rollers 27 which are used to pull the strands through the device. After the delivery rollers 27, the bundle runs through scissors 28, by which it is cut into short ends so that the desired tablets or granules are produced.
If necessary, the impregnated bundle can be passed along a series of heaters, indicated generally at 29, from which the temperature of the bundle is brought to a level suitable for pelletizing by means of the scissors 28.
As in the case of FIG. 1, only the general method steps emerge from FIG. 2, while a more complete and precise description of the device emerges from US Pat. No. 3,042,570, the disclosure of which is incorporated herein by reference. It should be noted that none of U.S. Patent Nos. 3,119,718 and 3,042,570 show a mandatory heating step for the impregnated strand prior to pelletization. In order to bring the strand into a condition suitable for pelletizing, however, such a heating step may be necessary and, according to FIG. 1, easily achieved by the use of lamps, for example infrared lamps, or by any other suitable heating source.
The shape of the strands 10 and 20, as well as their number, which is combined into a single bundle, can be due to a number of factors, for example the transverse dimensions of the finished tablets, ratios between glass and synthetic resin in the finished product, the importance of good contact between the glass fibers and the synthetic resin, ease of manufacture, etc. can be very different. In many mold connections, each strand can have 8 to 120 ends. Each end is made up of around 200 individual glass fibers. If good contact between the glass fibers and the resin is important, it may be desirable to reduce the number of ends of each strand.
The device that is used to apply the corresponding synthetic resins can be constructed very differently. It all depends on factors such as the synthetic resins used, ease of manufacture and the required properties of the end product. Therefore, the invention in its full scope is not limited to any particular impregnation or coating device. While the apparatus employing the types of impregnants described above has a wide range of uses, the resins can be applied by passing the strands through liquid dispersions. The synthetic resins can also be applied by melt coaters.
In some cases it may be convenient to apply the resin using a transfer or contact roller that is partially immersed in a resin bath. If a bath is used, the liquid impregnation and coating material can be in any suitable form. It can be an emulsion, a solution, a prepolymer or even a monomer. In the latter cases, the bath can contain a suitable polymerization catalyst and can be brought to the desired viscosity by including a finely divided copolymer. The viscosity of a bath affects the amount of bath material that is absorbed by the strand or strand as it passes through it.
A preferred application of the invention consists in a method for producing granules in the form of a concentrate which is used in injection molding. The process of making the concentrate includes certain critical steps that, if not followed, will result in failure.
Such concentrates can be fed to the hopper of an injection molding machine together with unreinforced thermoplastic granules in order to produce an injection molded article that has significantly better properties than one made from unreinforced granules.
The preferred method of applying thermoplastic resin to the glass fibers is a continuous process in which strands are passed through a reservoir containing, for example, a polystyrene emulsion. The strands are opened by any suitable means prior to their introduction into the reservoir of thermoplastic resin or while they are immersed in the reservoir, and the amount of resin that is picked up by the strand is controlled by any of the following factors:
a) throughput speed of the strand through the synthetic resin (same residence time of the strand in the synthetic resin), b) concentration of the thermoplastic synthetic resin in the emulsion or solution, c) viscosity of the emulsion, solution or melt of the thermoplastic synthetic resin, and d) the degree to to the excess resin by suitable mechanisms, such as a ver narrowed opening through which the strand is pulled, is stripped from.
Thus, the amount of resin taken up by the strand can be determined by using any of the above
Possibilities are precisely regulated.
After the strand has passed through the thermoplastic resin-containing reservoir, it can be passed through an oven maintained at 204 to 3710 G to remove water and / or other volatiles and to melt the resin. The specific temperatures used in the
Oven applied depend on the applied
Synthetic resins and the means by which they are applied to the fiberglass strand.
If emulsions of the thermoplastic resin were used to impregnate the fiberglass strand, considerable heat must be applied to remove the water contained in the emulsion. When certain thermoplastic resins are used, and particularly when these resins are applied by means of a solution, it may be desirable to carry out the removal of the volatiles in two steps.
After the strand has passed through the solution of thermoplastic material, it is passed through an oven which is kept at a low temperature in order to remove the solvent from the solution vapors without the risk of fire or explosion. The strand is then passed through a second furnace or a zone of higher temperature in the first furnace, which is kept at 204 to 3710 ° C., in order to melt the thermoplastic synthetic resin onto the fiberglass strand. If the melt-coating of the fiberglass strand with the thermoplastic synthetic resin according to FIG. 2 has been carried out, the use of ovens with which the thermoplastic synthetic resin is fused to the strand is usually not necessary.
Following the impregnation process according to FIG. 2, the strands can be guided from the melt impregnation zone to a cooling zone in which they are cooled down to such an extent that they can be handled. In the other case, i. H. When using the impregnation process according to FIG. 1, the strands can be removed from the heating zone (emulsion or solution impregnation) and, if necessary, the strands can be subjected to further heat (using one of the conventional heating means described earlier) so that they obtain suitable cutting temperatures.
It is an important feature of the process of the invention that the strands of thermoplastic resin impregnated fiberglass must be pelletized or cut above a certain minimum temperature if a suitable yield of acceptable tablets is to be achieved. The minimum cutting temperature for each thermoplastic resin impregnated fiberglass rod is not related to the amorphous or crystalline structure of the thermoplastic resin on the strand but is routinely determined when the process is performed. In general, the minimum cutting temperature has been found to be 26.70 ° C.
When making short tablets 3.2 to 6.35 mm in length, where breakage during pelletization is a problem, the minimum cutting temperatures must generally be higher than when cutting longer tablets, e.g. 12.7 mm long. However, the temperature of the strand must not be so high that cut tablets stick to one another, i.e. H. that the synthetic resin must not be heated to the point of adhesion.
In addition, the temperature of the strand must not be so high that the strand adheres to the draw rollers.
If the strand is not heated to the appropriate temperature, acceptable pelletization will not occur and the product will be a mass of broken fiberglass and synthetic resin. It is important that concentrate granules used for injection molding, which are described herein, should be at least about 3.2 to 6.35 mm in length, and preferably 12.7 mm. If the length of the tablet is less than about 3.2 to 6.35 mm, severe breakage will occur during pelletizing and it will not be possible to produce an acceptable injection molding material. It is advantageous if the diameter of the granulate is at least approximately
1.6 mm. Some examples are given below to illustrate some of the above.
The concentrate granulate intended for injection molding must have certain minimum physical properties so that it is suitable for injection molding.
The tablets must be stiff so that they can be processed in the injection molding machine; they must also have a certain resistance to splitting, which is important for pelletizing and the subsequent treatment of the tablets. These properties are further explained and illustrated below by way of example.
The concentrate granulate used for injection molding must have a certain resistance so that it can be used with the various techniques that have so far been used in the plastics industry, such as screw conveying, feed through vibrating funnels, storage and removal from bulk material containers, scrubbing and mixing in drums, ribbon mixing, double cone mixing or other treatment processes in which the tablets are exposed to impact or frictional forces.
Although reference has been made above to injection molding processes with regard to the use of the granular concentrate, their field of application is not limited to these purposes. For example, the concentrate granulate can be mixed in a suitable manner with unreinforced synthetic resins which are suitable for extrusion, blow molding, transfer and compression molding processes.
The following examples are intended to further illustrate the invention.
example 1
A series of glass strands consisting of 60 ends were passed through a polystyrene emulsion as shown in FIG.
After immersion in the emulsion, the glass strand was wiped off and dried, so that 20% synthetic resin remained, the remaining 80% by weight being glass fibers. The wet strand was passed through an oven maintained below 260 to 3160 ° C. to remove the water from the emulsion and then to melt the resin around the glass strand. The strand coated with synthetic resin was kept at a temperature of about 65.50 ° C. with the aid of infrared heaters and at this temperature was successfully chopped into tablets about 12.7 mm long. The injection molding granules containing a glass fiber concentration were then mixed with unreinforced polystyrene tablets in order to obtain a molding compound which contained some useful glass components.
Table III shows examples of the physical properties of such blends containing 0, 20 and 35% glass reinforcement.
Table III
Property ASTM 0% glass 20% glass 35% glass tensile strength, kg / cm D638-61T 570 844 984 elongation,% D638-61T 2.2 2.0 2.0 modulus of elasticity, kg / cm2 D638 61T 32 300 59 100 84400 notched impact strength according to the Izod D256-56 4.14 20.7 34.5
Test method, cmkglcm2 bending temperature, C at 18.58 kg / cm2 D648-56 92.7 103.3 105.5
The data in Table III demonstrate the utility of the concentrate granules. A similar product was made from a styroiacrytitrile latex under similar conditions.
Because one part of an 80% glass reinforced concentrate is mixed by the injection moulder with three parts of non-reinforced synthetic resin to produce 4 parts by weight of 20% glass reinforced mixture, the production requires only a quarter of the labor, packaging material and equipment compared to the case in which 4 parts by weight of 20% reinforced thermoplastic material are produced. The resulting economic savings make it possible for the manufacturer to receive a thermoplastic synthetic resin reinforced with 20% glass at around half the cost of processes according to the state of the art. Similar cost savings can be illustrated by the following examples.
Example 2
A polypropylene synthetic resin was melted in an extruder and used to directly impregnate a glass strand as shown in FIG. 2 to obtain a product which contained about 75% glass. The strands were successfully cut into tablets approximately 9.54 mm long while maintaining a temperature of 82.20 ° C. The tablets were then mixed with non-reinforced polypropylene up to a total glass content of 20%. By molding this mixture, the following physical properties were obtained.
Table IV
ASTM test tensile strength, kg / cm2 D638-61T 422 flexural strength, kg / cm2 D790-63 492 Notched impact strength according to D256-56 31.7
Izod test method, cmkg / cm2 bending temperature, D648-56 138 C at 18.58 kg / cm2
These data were obtained using conventional homopolymer polypropylene. However, copolymeric polypropylene can similarly be used.
Example 3
A series of glass strands consisting of 60 ends were passed through a commercially available polynrethane emulsion as shown in FIG. After they had emerged from the emulsion, the glass strands were wiped off and dried, so that 20% of synthetic resin remained, while the remaining 80% by weight were glass fibers. The wet strand was passed through an oven at about 2600 ° C. to first remove the water from the emulsion and then to melt the polyurethane resin around the glass fibers. The resin-coated strand was kept below a temperature of about 65.60 ° C. and at that temperature was successfully chopped into tablets about 12.7 mm long.
The injection-molded grains containing a glass fiber concentration were then mixed with unreinforced synthetic resin and pressed into test samples. Similar improved properties were found.
Example 4
An emulsion of high density polyethylene powder in water was prepared separately. Subsequently, a series of glass strands consisting of 60 ends according to FIG. 1 was passed through this emulsion.
After immersion in the emulsion, the glass strands were blended and dried, so that 20% synthetic resin remained, while the remaining 80% by weight was glass fibers. The wet strand was passed through an oven at 2880 C to first remove the water from the emulsion and then to melt the polyethylene resin around the glass fibers. The strand impregnated with the polyethylene synthetic resin was kept at a temperature of about 65.60 ° C. and at this temperature was successfully chopped into tablets about 12.7 mm long. The injection molding grains containing a glass fiber concentration were then mixed with unreinforced polyethylene tablets in order to obtain a molding compound containing 20% glass.
This molding compound was injection molded into test specimens showing the following properties.
Table V
ASTM test Tensile strength, kg / cm2 D638-f61T 475 Flexural strength, kg / cm2 D790-63 562 Notched impact strength according to D256-516 27.6
Izod test method, cmkg / cm2 bending temperature, D648-56 126.7 OC at 18.48 kg / cm2
Example 5
A solution of common polystyrene resin in toluene solvent was prepared to contain 5% polystyrene. Then a series of glass strands consisting of 60 ends according to FIG. 1 was passed through this solution. After immersing them in the solution, the glass strands were wiped off and dried, leaving 25% synthetic resin, while the remaining 75% was glass fibers.
The wet strand was passed through an oven at 2040 C to first remove the toluene from the solution and then to melt the polystyrene resin around the glass fibers. The strand impregnated with polystyrene synthetic resin was kept at a temperature of about 65.60 ° C. and at this temperature was successfully chopped into tablets about 12.7 mm long. The injection molding grains containing a glass fiber concentration were then mixed with unreinforced polystyrene tablets in order to produce a molding compound which contained 20% glass. This molding compound was injection molded into test specimens that had properties similar to the test specimens shown in Table II for 20% fiberglass.
As mentioned earlier, the concentrate tablets must be cut at a certain elevated temperature which varies from synthetic resin to synthetic resin, but is always necessary if the results of the invention are to be achieved. In the case of polystyrene, for example, a strand temperature suitable for cutting or pelletizing is around 26.7 to 76.70 ° C., preferably 37.8 to around 71.10 ° C. The same temperature range applies to concentrates made from styrene-acrylonitrile copolymers (SAN) getting produced.
Pelletizing can be carried out successfully at the temperatures mentioned and results in an acceptable minimum number of shattered and broken tablets. Although it is difficult to specify a suitable strand temperature for all thermoplastic synthetic resins, it can be said that the Pelle tisiertemperaturen should be above 26.70 C, preferably above 32.20 C, but they must not be so high that the cut tablets form lumps by sticking together. Other suitable temperatures are: for polyethylene from 32.2 to 60.00 C, for polypropylene from 37.8 to 71.10 C, for polystyrene from 37.8 to 71.10 C.
Although the physical properties of the concentrates, even in strand or tablet form, have not normally been determined because their general purpose is to be blended with non-reinforced resins, the following properties were found to further characterize the nature of these concentrates. In Table VI below, the impact strength of a single strand of 60 polystyrene resin impregnated ends of fiberglass, as measured by the Izod test method, in accordance with the general method and agents specified in ASTM Test D-256-56, is determined . It is clear that the holder for the sample was modified to hold the only strand sample.
As the glass content of the strand ended, the notch toughness increased rapidly and decreased when it reached 100% glass.
Table VI
Notched impact strength% glass cmkg / cm2
0 33.1 30 276
80 179
90 55.2
100 0
As has already been said, the tablets must have a certain minimum crack strength so that they can be used in commercially available injection molding equipment. In addition, the impregnated strand must have a cleavage strength that is large enough for pelletizing to take place. According to a test that was specially adapted for this purpose, the splitting strength of a tablet is preferably around 7 kg / cm2. The rupture strength of a tablet was determined by measuring the force required to push an ordinary No. 1 knitting needle through the diameter of a tablet at a speed of 0.25 cm / min.
The force was measured using a standard Instron tester and the value was divided by the cross-sectional area of the tablet to bring the values on the same basis. Polystyrene impregnated tablets were used for all of these procedures.
All samples that contained glass split along the length of the tablet, which is to be expected based on the oriented fibers. However, the tablets containing 0% glass (unreinforced polystyrene) split at right angles to the length at the puncture point, which was expected since no glass is included and a split occurs in the weakest direction. Each value represents the average of around 15 individual determinations.
The dates were:
Table VII% Glass Cleavage Strength, kg / cm 0 482
30 285.5
80 160, l6,
90 32.15
100 0
Thus, it can be seen that several important factors must be met in order to obtain the improved granules of the invention, and that each of these factors contribute to the overall progress of the invention.
The above examples also show that any thermoplastic synthetic resin can be used in the method according to the invention. These thermoplastic synthetic resins include
Polystyrene, acrylic resins,
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) resins, polyvinyl chloride resins,
Polyformaldehyde resins,
Polysulfone resins, polyphenylene oxide resins,
Polyamide resins such as nylon,
Polyester resins,
Polyolefin resins,
Polycarbonate resins and many others.
The glass strands used in the invention can be impregnated with many commercially available glues, such as polyesters, polyvinyl acetates and / or silane or chromium complex binders.
PATENT CLAIM I
Process for the production of fiberglass-reinforced thermoplastic granules, characterized by the following steps: a) Continuous passage of glass fiber rods through a container which contains a thermoplastic synthetic resin and impregnation of the glass fiber strands with about 10 to 30% by weight of the synthetic resin, b ) Feeding the glass fiber strands impregnated with thermoplastic synthetic resin to a cutting zone in which the glass fiber strands impregnated with the synthetic resin are cut into pieces at least about 3.2 mm long, the cutting being carried out while the impregnated glass fiber strands are at a temperature of at least 26.70 C.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that the glass fiber strands are passed through an emulsion of a thermoplastic synthetic resin.
2. The method according to claim I, characterized in that the glass fiber strands are passed through a suspension of a thermoplastic synthetic resin.
3. The method according to claim I, characterized in that the glass fiber strands are passed through a solution of a thermoplastic synthetic resin.
4. The method according to claim I, characterized in that the glass fiber strands are passed through a melt of a thermoplastic synthetic resin.
5. The method according to claim I, characterized in that the glass fiber strands are passed through an emulsion of a polystyrene resin.
6. The method according to claim I, characterized in that the glass fiber strands are impregnated by being passed through an emulsion of a styrene acrylonitrile copolymer resin.
7. The method according to claim I, characterized in that the glass fiber strands are impregnated by being passed through a suspension of a polyethylene resin.
PATENT CLAIM II
Fiberglass-reinforced thermoplastic granulate produced by the method according to claim 1, characterized in that a thermoplastic synthetic resin contains a large number of glass fibers which are essentially surrounded and held by the thermoplastic synthetic resin and are gap-resistant, the glass fibers predominantly extending over the entire length of the granules and extend essentially parallel to the longitudinal direction thereof and the proportion by weight of the glass fibers is about 70% to about 90%, while the remainder consists essentially of the thermoplastic synthetic resin, the length of the granules being at least about 3.2 mm.
SUBCLAIMS
8. Granulate according to claim II, characterized in that the weight fraction of the glass fibers is about 75 to 85%.
9. Granules according to claim II, characterized in that the thermoplastic synthetic resin is polystyrene.
10. Granules according to claim II, characterized in that the thermoplastic synthetic resin is a styrene-aoryl nitrile copolymer.
11. Granules according to claim II, characterized in that the thermoplastic synthetic resin is a polyethylene resin.
12. Granulate according to claim II, characterized in that the thermoplastic synthetic resin is a polypropylene resin.
13. Granules according to claim II, characterized in that the thermoplastic synthetic resin is a polycarbonate resin.
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