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Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermoplastisches Verbundmaterial sowie
ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen auf dessen Basis.
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Bei zahlreichen Verfahren zur Verarbeitung von thermoplastischen Materialien
bringt man diese mittels einer Infrarotstrahlung auf eine Temperatur, die ausreicht,
um ihre Erweichung oder ihr oberflächliches Schmelzen zu bewirken.
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Dies ist beispielsweise der Fall beim Warmformen von flachen Gegenständen
wie Filmen, Platten oder Bändern, während dem sie erhitzt werden, bevor man sie
formt.
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Desgleichen ist dies der Fall beim Tränken eines Bündels kontinuierlicher
Verstärkungsfasern mit Polymerpulver. Diese Technik, die insbesondere in der
Patentanmeldung WO 87/000563 beschrieben ist, besteht darin, ein oder mehrere
Polymere im Pulverzustand zwischen kontinuierlichen Fasern, die ein Bündel bilden,
zu dispergieren und anschließend diese Polymere schmelzen zu fassen, um ihr
Fließen zwischen die Fasern zu ermöglichen. Vorzugsweise verwendet man ein
Erhitzungsverfahren ohne Kontakt, beispielsweise ein Verfahren zum Erhitzen durch
Infrarotstrahlung.
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Jedoch absorbieren die meisten thermoplastischen Materialien die
Infrarotstrahlung nur schwach, vor allem wenn sie Glasfasern enthalten, deren Abstrahlung
sehr hoch ist. Daraus ergibt sich, daß das Erhitzen solcher thermoplastischen
Materialien langsam und mit einer mittelmäßigen Energieausbeute erfolgt, was im
Widerspruch zu den ökonomischen Erfordernissen steht, die mit jeder industriellen
Produktion verbunden sind. Deshalb setzt man bei den bekannten Varianten der
Technik zum Erhitzen von thermoplastischen Materialien durch Infrarotstrahlung im
allgemeinen den zu behandelnden thermoplastischen Materialien eine bedeutende
Menge, die im allgemeinen größer als ein Masseprozent ist, einer Substanz zu, die
im wesentlichen diese Strahlung absorbiert, beispielsweise Ruß, um ihre thermische
Absorption zu erhöhen und ihre Erhitzungszeit zu vermindern.
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Das Zusetzen einer bedeutenden Menge an absorbierender Substanz weist
jedoch mehrere Nachteile auf, die im wesentlichen von der Inhomogenität des
Temperaturprofils über die Dicke des thermoplastischen Materials bei seiner
Bestrahlung herrühren. Wenn die Menge an absorbierender Substanz hoch ist,
erfolgt die Absorption der Strahlung fast nur an der Oberfläche des
thermoplastischen Materials, was zu einem schlechten Schmelzen seines Kerns und
zum Auftreten von inneren Spannungen sowie demnach zu Heterogenitäten, die die
gesamten mechanischen Leistungen des thermoplastischen Materials verringern,
führen kann. Insbesondere kann die Haftung von eventuellen Verstärkungsfasern an
dem thermoplastischen Material, dem sie zugesetzt werden, verringert sein.
Außerdem erhöht eine überwiegende Absorption der Strahlung an der Oberfläche
beträchtlich die Zeit, die für ein vollständiges Schmelzen des behandelten
thermoplastischen Materials notwendig ist, und ist folglich hinsichtlich der
industriellen Effizienz und Rentabilität unvorteilhaft.
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Es wäre denkbar, eine höhere Heizleistung zu verwenden, aber dies könnte ein
übermäßiges Erhitzen der oberflächlichen Teile des thermoplastischen Materials
bewirken und es thermisch zersetzen. Wie auch immer die berücksichtigte Lösung
sein mag, im günstigsten Fall ergibt sich daraus ein Absinken der Produktivität.
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Außerdem kann die Gegenwart einer nicht vernachlässigbaren Menge einer
fremden Substanz im Innern eines thermoplastischen Materials eine Verminderung
seiner mechanischen Leistungen bewirken.
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Die vorliegende Erfindung hat demzufolge das Ziel, ein thermoplastisches
Material zu liefern, das auf schnelle, homogene und ökonomische Weise erhitzt
werden kann und das zu Produkten führt, die gute mechanische Eigenschaften
aufweisen.
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Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein thermoplastisches Material, das
wenigstens ein Polyolefin und wenigstens eine im wesentlichen die Infrarotstrahlung
absorbierende Substanz umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß es 1 bis 1000
Masse-ppm absorbierender Substanz, ausgedrückt bezogen auf die Gesamtmasse
des oder der Polymere, die in dem thermoplastischen Material vorhanden sind,
umfaßt.
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Mit thermoplastischem Material soll jedes Material auf der Basis eines
thermoplastischen Polymers oder eines Gemischs von mehreren thermoplastischen
Polymeren bezeichnet werden. Als nichtbeschränkende Beispiele für
thermoplastische Polymere kann man die Polyolefine, die Vinylpolymere oder die
Polyamide anführen. Man bevorzugt die Verwendung der Polyolefine, insbesondere
der Homo- und Copolymere des Ethylens oder des Propylens. In dem
erfindungsgemäßen thermoplastischen Material können das oder die Polymere in einer
beliebigen Form, beispielsweise im Zustand von Granulat, Pulver, Fasern oder
Filmen vorliegen.
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Mit "im wesentlichen die Infrarotstrahlung absorbierende Substanz" soll eine
Substanz bezeichnet werden, deren Absorption bei allen Wellenlängen, die den
Infrarotstrahlungsbereich bilden, das heißt von 750 nm bis 1 mm, wenigstens 50%
derjenigen des schwarzen Körpers beträgt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann
die in Betracht gezogene absorbierende Substanz beliebig sein; es kann sich auch
um ein Gemisch von mehreren solcher Substanzen handeln. Wenn die
absorbierende Substanz ein Absorptionsmaximum aufweist, ist es bevorzugt, daß
dieses Maximum einer Wellenfänge in der Größenordnung von 1 bis 10 um
entspricht. Nichts steht dem entgegen, daß ein mit einem spezifischen Ziel
hinzugefügter Zusatz, beispielsweise ein mineralischer Füllstoff oder
Verstärkungsfasern, außerdem die Rolle einer absorbierenden Substanz spielt oder
sie enthält. Man kann insbesondere Glasfasern verwenden, deren Schlichte eine
absorbierende Substanz umfaßt. In solchen Fällen muß die Menge dieses Zusatzes
für das Einhalten der Anteile an absorbierender Substanz berücksichtigt werden.
Wenn man feststellt, daß ein besonderer Zusatz, der dem thermoplastischen
Material mit einem spezifischen Ziel zugesetzt wurde, die Infrarotstrahlung
absorbiert, kann es sein, daß man die Menge dieses Zusatzes begrenzen muß, um
die Anteile an absorbierender Substanz einzuhalten, oder sie ändern muß, um ein
erfindungsgemäßes thermoplastisches Material zu erhalten. Vorzugsweise umfaßt
die absorbierende Substanz Ruß.
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Das Zusetzen der absorbierenden Substanz zu dem thermoplastischen
Material kann durch jede bekannte Technik erfolgen, die es ermöglicht, einen Zusatz
in eine Zusammensetzung von Polymeren einzugliedern. Die absorbierende
Substanz wird im allgemeinen im Zustand von fein verteiltem Pulver eingesetzt. Ihre
Beimengung kann insbesondere durch Mischen in der Kälte mit einem oder
mehreren der Bestandteile des thermoplastischen Materials, ebenfalls im
Pulverzustand, durchgeführt werden. Dieses Gemisch von Pulvern kann als solches
verwendet werden, beispielsweise im Hinblick auf das Tränken eines Bündels oder
Gewebes von Verstärkungsfasern, oder aber gepreßt oder extrudiert werden, um
Halbfertigprodukte wie Fasern, Platten, Folien, Filme, Granulat usw. zu bilden.
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Das Zusetzen der absorbierenden Substanz zu dem thermoplastischen
Material kann auch in der Schmelze durchgeführt werden, das heißt nach
Schmelzen dieses Letzteren in einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise in
einem Extruder oder in einem Knetwerk. Es wird vorzugsweise in einem Extruder
durchgeführt.
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Angesichts der geringen Menge an absorbierender Substanz, die gemäß der
Erfindung erforderlich ist, kann es praktisch sein, das Zusetzen der absorbierenden
Substanz unter Verwendung der gut bekannten Technik des Masterbatches
vorzunehmen, die darin besteht, zu den Bestandteilen des thermoplastischen Materials
eine geringe Menge einer konzentrierteren Vormischung aus der absorbierenden
Substanz und einem oder mehreren der Bestandteile des thermoplastischen
Materials hinzuzumischen. Die Dosierung und die Verteilung der absorbierenden
Substanz werden so erleichtert.
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Mit Erstaunen hat man festgestellt, daß die optimale Konzentration an
absorbierender Substanz extrem gering war. Gemäß der vorliegenden Erfindung
beträgt die minimale Konzentration an absorbierender Substanz (ausgedrückt in
Masse absorbierender Substanz bezogen auf die Gesamtmasse des oder der
Polymere, die in dem thermoplastischen Material vorhanden sind) etwa 1 ppm,
vorzugsweise 5 ppm. Ihre maximale Konzentration beträgt etwa 1000 ppm,
vorzugsweise 100 ppm, besonders bevorzugt 50 ppm. Diese Konzentrationen können
natürlich beeinflußt werden, insbesondere von der Art der absorbierenden Substanz,
von Parametern, die für die angestrebte Anwendung spezifisch sind, wie der Dicke
und der Art des thermoplastischen Materials, oder auch vom Typ und der Menge
eventueller Verstärkungsfasern.
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Das erfindungsgemäße thermoplastische Material kann gegebenenfalls
außerdem einen oder mehrere bekannte Zusätze, wie insbesondere Pigmente,
Stabilisatoren, Kompatibilisierungsmittel, Verarbeitungshilfen, elektrisch leitende
Teilchen oder mineralische Füllstoffe, enthalten.
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Die thermoplastischen Materialien der Erfindung umfassen einen oder mehrere
Faserbestandteile zur Verstärkung, beispielsweise Glas-, Metall- und/oder
Aramidfasern. Die Glasfasern ergeben ausgezeichnete Ergebnisse. Die so verstärkten
thermoplastischen Materialien können insbesondere in Form von Bündeln,
Geflechten, Matten oder Geweben aus Fasern, die mit einem oder mehreren
thermoplastischen Polymeren getränkt sind, oder Bündeln oder Geweben, die aus
Verstärkungsfasern und thermoplastischen Fasern zusammengemischt sind
(comingled fibers), vorliegen.
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Wie bereits dargestellt, können die angestrebten thermoplastischen Materialien
auch in Form von Pulver oder auch in Form von Halbfertigprodukten wie Filmen,
Platten, Bändern oder Fasern vorliegen.
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Die Einbettung einer absorbierenden Substanz in ein thermoplastisches
Material in solchen Konzentrationen bietet besonders interessante Vorteile im Fall
von Bündeln oder Geweben aus Verstärkungsfasern, die mit einem oder mehreren
Polymeren getränkt sind, mag es sich um ihre Herstellung oder ihre Verarbeitung im
Hinblick auf die Verstärkung anderer Gegenstände handeln. Man hat in der Tat
festgestellt, daß es so möglich ist, ein sehr homogenes Erhitzen des
thermoplastischen Materials zu erhalten, was eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit
seiner mechanischen Eigenschaften garantiert und die Gefahren einer thermischen
Zersetzung beträchtlich verringert. Außerdem wird das Erhitzen stark beschleunigt,
woraus sich eine bedeutende Erhöhung der Produktivität ergibt. Schließlich
beeinträchtigt die sehr geringe Menge an absorbierender Substanz die mechanische
Festigkeit der erfindungsgemäßen thermoplastischen Materialien nicht, was
besonders vorteilhaft ist, wenn sie in Form von Fasern mit geringem Durchmesser
vorliegen, die beispielsweise dazu bestimmt sind, Gewebe oder Bündel, die aus
Verstärkungsfasern und Fasern eines thermoplastischen Materials
zusammengemischt sind, zu bilden.
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Wie oben dargelegt, finden die erfindungsgemäßen thermoplastischen
Materialien zahlreiche vorteilhafte Anwendungen, beispielsweise bei der Herstellung
von Bündeln, Geweben, Geflechten oder Matten aus Verstärkungsfasern, die mit
thermoplastischem(thermoplastischen) Polymer(en) getränkt sind, entweder durch
Erhitzen von Verstärkungsfasern, zwischen denen ein oder mehrere
thermoplastische Polymere als Pulver dispergiert wurden, oder durch Erhitzen von Bündeln
oder Geweben, die aus Verstärkungsfasern und thermoplastischen Fasern
zusammengemischt sind; oder auch bei der Verarbeitung solcher getränkter Bündel
und Gewebe beim Warmformen von flachen Gegenständen.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn der oben angesprochene
Faserbestandteil zur Verstärkung wenigstens ein Bündel von individuellen Fasern,
das mit wenigstens einem thermoplastischen Polymer getränkt ist, umfaßt.
Vorzugsweise umfaßt das mit thermoplastischem Polymer getränkte Bündel aus
individuellen Fasern Glasfasern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines
Gegenstands aus thermoplastischem Material, bei dem man besagtes Material
einem Erhitzen durch Infrarotstrahlung unterzieht, dadurch gekennzeichnet, daß
man ein wie oben beschriebenes thermoplastisches Material verwendet.
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Wie zuvor dargelegt, ist das erfindungsgemäße Verfahren bei zahlreichen
Anwendungen verwendbar, wo es notwendig ist, das Schmelzen oder das Erweichen
eines thermoplastischen Materials zu bewirken, beispielsweise beim Muffen von
Rohren oder auch bei der Herstellung von Geweben, Bündeln, Geflechten oder
Matten aus Verstärkungsfasern, die mit einem thermoplastischen Polymer getränkt
sind, selbst wenn diese Materialien dick sind. Es läßt sich ebenfalls auf die
Verarbeitung dieser Gewebe und anderer getränkter Gegenstände anwenden, die
man häufig verwendet, um Gegenstände wie Platten, Rohre zu verstärken. Bei ihrer
Verarbeitung ist es in der Tat notwendig, das Schmelzen oder das Erweichen des
Polymers, das in dem fraglichen thermoplastischen Material vorhanden ist, zu
bewirken, um seine Haftung auf dem zu verstärkenden Gegenstand zu garantieren,
dessen äußere Oberfläche im allgemeinen vorerhitzt wird.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur
Herstellung eines Rohrs, das mit einer Außenummantelung verstärkt ist, die wenigstens
einen Faserbestandteil, der mit wenigstens einem thermoplastischen Polymer
getränkt ist, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Herstellung besagter
Ummantelung ein thermoplastisches Material, wie oben definiert, verwendet und
dadurch, daß man die Ummantelung um das Rohr herum durch Erhitzen besagten
Materials durch Infrarotstrahlung herstellt.
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Man zieht hier die Technik in Betracht, die Filamentwicklung genannt wird, die
darin besteht, um ein Rohr herum ein oder mehrere mit wenigstens einem
thermoplastischem Polymer getränkte Bündel kontinuierlicher Verstärkungsfasern,
vorzugsweise Glasfasern, in engen Wicklungen herumzuwickeln, um das Rohr herum
eine Verstärkungsummantelung herzustellen. Um die gute Haftung der getränkten
Faserbündel auf dem Rohr, auf das man sie wickelt, zu garantieren, müssen diese
Bündel auf eine geeignete Temperatur erhitzt werden, bevor sie mit dem Rohr in
Kontakt treten. Die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens auf ein solches
Faserbündel ist demzufolge vorteilhaft, weil es ermöglicht, seine
Aufheizgeschwindigkeit und folglich die Herstellungsgeschwindigkeit für die
verstärkten Rohre zu erhöhen oder aber bei gleicher Geschwindigkeit kürzere
Heizvorrichtungen zu verwenden. Dies ist besonders interessant hinsichtlich der
Konstruktion von Filamentwickelmaschinen, die im allgemeinen eine rotierende
Scheibe mit großem Durchmesser (manchmal mehr als ein Meter) koaxial zu der
Achse des zu verstärkenden Rohrs umfassen, die die Spule(n) mit getränkten
Verstärkungsfaserbündeln sowie die entsprechende Anzahl von Heizvorrichtungen
tragen muß. Die Verwendung des beschriebenen Heizverfahrens ermöglicht es
folglich, die Größe und demzufolge die Kosten der Filamentwickelmaschinen zu
verringern.
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Ein besonders vorteilhafter Fall der Anwendung dieses Verfahrens zur
Herstellung eines durch Filamentwicklung verstärkten Rohrs ist derjenige, wo das Rohr
aus einem thermoplastischen Polymer derselben Familie wie dasjenige der
Ummantelung besteht. Wenn das Rohr aus einem thermoplastischen Material der
gleichen Familie wie dasjenige besteht, das das(die) Bündel von
Verstärkungs
fasern, die nach Verarbeitung die Ummantelung bilden, tränkt, beispielsweise wenn
diese beiden Kunststoffe vorzugsweise Polyolefine, insbesondere Homo- oder
Copolymere des Propylens oder des Ethylens sind, ergibt sich daraus in der Tat
insbesondere eine gute Kompatibilität zwischen dem eigentlichen Rohr und dem
Verstärkungsfaserbündel und eine Nähe ihrer Schmelztemperaturen. Die
Filamentwicklung wird so dadurch erleichtert und garantiert eine gute Haftung Rohr-
Bündel sowie eine leichte Recycelbarkeit des verstärkten Rohrs.
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Wie auch immer die Art des thermoplastischen Materials sein mag, das
Erhitzen kann mittels jeder Vorrichtung, die eine Infrarotstrahlung abgibt,
beispielsweise einer Lampe mit Wolframglühfaden erfolgen. Die Bestrahlungszeit
hängt von mehreren für jede Anwendung spezifischen Parametern ab, wie
beispielsweise der Dicke des zu erhitzenden thermoplastischen Materials, der
genauen Art und Menge an absorbierender Substanz, der eventuellen Gegenwart
und der Art von Verstärkungsfasern usw.
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Vorzugsweise ist die verwendete Strahlung eine kurzwellige Infrarotstrahlung.
Mit kurzwelliger Infrarotstrahlung soll eine Strahlung bezeichnet werden, deren
maximaler Emissionspeak eine Wellenlänge unterhalb ungefähr 6 um, vorzugsweise
unterhalb 3 um hat. Im allgemeinen ist die mittlere Wellenlänge dieser Strahlung
höher als 0,7 um. Man hat mit Überraschung festgestellt, daß eine solche Strahlung,
obwohl von den meisten Polymeren schwach absorbiert, zu einem viel wirksameren
Erhitzen der erfindungsgemäßen thermoplastischen Materialien führte.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es auch, Gegenstände zu erhalten, die
aus wenigstens einem thermoplastischen Material bestehen, beispielsweise Platten,
die mit wenigstens einem getränkten Bündel von Verstärkungsfasern, wie oben
definiert, verstärkt sind. Insbesondere erweisen sich die erfindungsgemäßen
getränkten Bündel als besonders nützlich für die Verstärkung von Rohren, die aus
thermoplastischem Material bestehen; man erhält so Rohre, die eine
bemerkenswerte Festigkeit gegenüber dem Innendruck aufweisen.
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Bei der Verstärkung dieser Gegenstände ist es notwendig, diese Bündel zu
erhitzen, bevor man sie auf die zu verstärkenden Gegenstände aufbringt. Die
Leichtigkeit, mit der die erfindungsgemäßen getränkten Bündel erhitzt werden
können, führt zu einer gesteigerten Produktivität und garantiert eine ausgezeichnete
Haftung zwischen den Verstärkungsfasern und ihrer Matrix und folglich zu guter
Letzt zwischen den Verstärkungsfasern und dem zu verstärkenden Gegenstand.
Beispiele
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Die folgenden Beispiele erläutern die Herstellung von erfindungsgemäßen
thermoplastischen Materialien, die mit kontinuierlichen Glasfasern verstärkt sind. Für
die Durchführung dispergiert man zwischen den Glasfasern ein thermoplastisches
Material im Pulverstand, das in einem Trägergas (Luft) in einem Fließbett
suspendiert wird (mittels einer Ausstattung der Marke FLEXLINE®). Nach Verteilung
des Pulvers zwischen den Glasfasern kommen diese in einen Ofen, um für das
Schmelzen des thermoplastischen Materials und das Tränken des Glasfaserbündels
durch dieses zu sorgen. Dieser Ofen ist vom Typ kurzwelliges Infrarot, dessen
Nominalemission bei einer Wellenlänge von 1,5 um erfolgt. Das so erhaltene
Produkt wird dann abgekühlt und kalibriert.
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Das verwendete thermoplastische Material ist ein Homopolymer des Propylens
der Marke ELTEX® HY, das von SOLVAY vertrieben wird (MI (230ºC, 2,16 kg):
45 g/10 min). Die Glasfasern sind vom Mehrfachfasertyp zum direkten Verbinden mit
2,4 g/m längenbezogener Masse und einem Durchmesser von etwa 17 um pro
Filament. Die Nominalkonzentration an Glasfasern in dem so erhaltenen Endprodukt
beträgt etwa 65 Masse-%.
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Die Beispiele 1R und 2R sind zum Vergleich angegeben; das Beispiel 3 ist
erfindungsgemäß.
Beispiel 1R
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Ohne die Verwendung irgendeiner absorbierenden Substanz beträgt die
Herstellungsgeschwindigkeit, die die Bildung eines korrekt mit dem thermoplastischen
Material getränkten Glasfaserbündels ermöglicht, etwa 25 m/min.
Beispiel 2R
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Unter den gleichen Arbeitsbedingungen wie oben fügte man zu dem Pulver des
thermoplastischen Materials 0,5 Masse-% Ruß hinzu (bezogen auf das
thermoplastische Material). Unter diesen Bedingungen konnte die
Herstellungsgeschwindigkeit verdoppelt werden; jedoch war das so erhaltene Produkt nicht
homogen. Insbesondere bei seinem Abkühlen und seiner Kalibrierung beobachtete
man ein Aufblättern der Oberflächenschichten bezogen auf den zentralen Teil.
Beispiel 3
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Das Zusetzen von Ruß in Konzentrationen zwischen 5 und 10 ppm ermöglicht
unter den oben beschriebenen Arbeitsbedingungen und mit einer
Herstellungsgeschwindigkeit von 45 m/min den Erhalt eines getränkten Bündels, dessen
Homogenität - insbesondere die Verteilung und die Qualität des Tränkens der
Glasfasern - wenigstens mit derjenigen des in Beispiel 1R erhaltenen getränkten
Bündels gleichwertig ist.