FI83490C - Foerfarande och anordning foer framstaellning av ett fiberstaerkt material. - Google Patents

Description

5 83490

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

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

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

20

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

30 Ristipääsuutinmenetelmä on osoittautunut tehottomaksi kuitukimppujen imeyttä-miseksi termoplastisella hartsilla, koska kaikki yksittäiset kuidut eivät tule ympäröidyksi hartsilla. Jauhemenetelmään sisältyy monia prosessointivaiheita, jotka ovat vaikeita synkronoida keskenään, ovat kalliita hankkia ja käyttää ja samalla vahingoittavat vahviketta. Liuotinmenetelmissä tarvitaan kuivausprosessi, 35 joka on kallis, aiheuttaa ympäristöhaittoja, on aikaa viepää ja rajoittaa tuotan- 2 83490 tonopeutta. Lisäksi tuotteen laatu on alhainen siksi, että poistuva liuotin jättää tuotteeseen huokosia.

Esilläoleva keksintö aikaansaa prosessin ja laitteen vahvikekuitujen imeyttämi-5 seksi kuitukimppujen muodossa siten, että yksittäisetkin kuidut tulevat hartsilla ympäröidyiksi. Keksintö perustuu siihen tunnettuun ilmiöön, että tietyillä pseudoplastisilla materiaaleilla viskositeetti alenee niiden joutuessa alttiiksi leikkausvoimille. Tämä "leikkausohentumisena" tunnettu ilmiö on yleistä erilaisilla emulsioilla, dispersioilla, suspensioilla ja muilla materiaaleilla mukaanluettuna 10 termoplastiset hartsit ja vähemmässä määrin myös lämpökovettuvien hartsien liuokset. Alttiutta leikkausohennukselle voidaan säätää muuttamalla materiaaliin kohdistetun leikkausrasituksen tasoa. Alhaisilla rasitustasoilla saavutetaan pieni vaikutus, keskisuurilla rasitustasoilla alttius leikkausohennukselle kasvaa dramaattisesti ja hyvin korkeilla rasituksilla palautuu jälleen alemmalle tasolle 15 materiaalin saavuttaessa minimiviskositeettinsa.

Tyypillinen viskositeettialue termoplastisille hartseille on 102-106 Pas ja lämpöko-vettuville hartsiliuoksille 100-5000 Pas. Vahvikekuitujen imeytyksessä alue 1-10 Pas olisi ihanteellinen, tavallinen suuruusluokka on 102 Pas ja joissakin tapauk-20 sissa suuruusluokka 103 Pas voi olla hyväksyttävissä. Tyypilliset leikkausnopeus-alueet polymeerisulille ja liuoksille ovat 10'1-106 1/s ja maksimivastaavuuden alue voi olla lOMO4 1/s.

Keksinnön mukainen menetelmä koskee kuitukimppujen imeyttämistä sulalla tai 25 nestemäisellä hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, imeyttämällä yhden tai useamman kuitukimpun muodostamaa jatkuvaa rainaa sulalla tai nestemäisellä hartsilla ja kovettamalla mainittu hartsi jäähdyttämällä tai kemiallisella reaktiolla. Keksinnön mukainen 30 menetelmä on tunnettu siitä, että mainitun imeyttämisen aikana mainittu sula tai nestemäinen hartsi saatetaan leikkausvoimien alaiseksi kahden toistensa suhteen liikkuvan lähekkäisen pinnan välissä siten, että toisen mainituista pinnoista muodostaa liikkuva imeytettävä kuitukimppuraina.

3 83490

Keksinnön mukaisen menetelmän erään edullisen suoritusmuodon mukaan toinen mainituista pinnoista on paikallaan oleva pinta ja toinen pinta on liikkuva pinta. Molemmat pinnat voivat kuitenkin yhtä hyvin olla liikkuvia pintoja. Keksinnön kannalta oleellista on se, että mainitut pinnat ovat lähekkäin ja että 5 ne liikkuvat toistensa suhteen.

Keksinnön mukaisen menetelmän erään edullisen suoritusmuodon mukaan toinen mainituista liikkuvista pinnoista käsittää itse imeytettävän jatkuvan kuitukimppurainan. Tällöin imeytettävä hartsi johdetaan imeytettävän kuitukimp-10 puradan ja kiinteän tai liikkuvan pinnan väliin, jolloin pinnat luonnollisesti liikkuvat toistensa suhteen eri suuntiin. Tämä aiheuttaa leikkausvoimia, jotka kohdistuvat imeytettävään hartsiin ja siten alentavat hartsin viskositeettia ja helpottavat yksityisten kuitujen peittymistä hartsilla.

15 Keksinnön mukaisen menetelmän erään edullisen suoritusmuodon mukaan toistensa suhteen liikkuvat pinnat ovat sylinterimäisiä pintoja, jolloin toisen pinnoista muodostaa edullisesti imeytettävä raina. Mainitut pinnat voivat olla myös tasomaisia pintoja, jolloin toinen pinnoista voi olla itse imeytettävä raina tai mainitut pinnat voivat muodostua kahdesta lähekkäisestä, vastakkaisiin 20 suuntiin pyörivästä levystä.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista valmistaa mitä tahansa kuituvahvistettua materiaalia, jossa kuidut ovat kimppujen muodossa. Kuidut voivat olla mitä tahansa kuituja, jotka ovat sidottavissa matriisihartsiin. Sellaisia 25 tuotteita ovat esimerkiksi jatkuvakuituvahvisteiset granulaatit ruiskupuristusvalua ja muita prosesseja varten, esikovetteet tai esi-imeytetyt materiaalit tavanomaisia prosesseja kuten pultruusiota, filamenttikelausta, teippilaminointia ym. varten.

30 Siten keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan käyttää esimerkiksi lasikuituja, hiilikuituja ja aramidikuituja sekä termoplastisia kuituja. Tavallisimmin käytettäviä vahvikekuituja ovat lasikuitutuotteet kimppujen muodossa, joita tuotteita voidaan käyttää yksittäisinä kimppuina tai myöskin kudottuina tuotteina esimerkiksi lasikuiturovingina. Tyypilliset lasikuitukimput sisältävät tuhansia 4 83490 yksityisiä kuituja, joiden läpimitta on yleensä suuruusluokkaa 10-17 μτη.

Kuituvahvistetun materiaalin vahvikekuitujen sidontaan käytettävä hartsimateri-aali voi olla esimerkiksi termoplastista hartsia, joka imeytetään kimppuihin 5 sulana, tai lämpökovettuvaa hartsia, joka jähmetetään imeytyksen jälkeen lämmön tai kemiallisen reaktion avulla.

Sopivia termoplastisia hartseja ovat mm. olefiinien homo- ja kopolymeerit, vinyylikloridin homo- ja kopolymeerit, polyetyleenitereftalaatti, akrylonitriilin 10 homo- ja kopolymeerit, polyamidit ja kopolyamidit, formaldehydin termoplastiset polymeerit, polykarbonaatti, polysulfoni ja minkä tahansa kahden tai useamman edellämainitun polymeerin seokset sekä yleensä kaikki sellaiset termoplastiset hartsit, joiden viskositeetti alenee leikkausvoimien vaikutuksesta.

15 Keksintö koskee myös laitetta kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat mat-riisihartsin ympäröiminä. Keksinnön mukainen laite on tunnettu siitä, että se käsittää elimet leikkausvoimien kohdistamiseksi imeytyksen aikana mainittuun 20 sulaan tai nestemäiseen hartsiin, mainittujen elinten käsittäessä kaksi lähekkäistä toistensa suhteen liikkuvaa pintaa, joiden välissä mainittu sula tai nestemäinen hartsi pakotetaan virtaamaan ja siten saatetaan leikkausvoimien kohteeksi imeytyksen aikana, ja joista toisen muodostaa liikkuva imeytettävä kuitukimp-purata sekä elimet mainitun sulan tai nestemäisen hartsin syöttämiseksi mainittu-25 jen pintojen väliin.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan ainakin toinen mainituista pinnoista on liikkuva pinta.

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

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut pinnat ovat sylinterimäisiä tai tasomaisia pintoja.

5 83490

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan elimet mainitun sulan tai termoplastisen hartsin syöttämiseksi mainittujen pintojen väliin käsittävät yhden tai useamman syöttöaukon imeytyspään seinämässä, mainittujen syöttöaukkojen ollessa poikkileikkaukseltaan pyöreitä, suorakulmai-5 siä tai muun muotoisia.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan mainitut syöttöaukot ovat syöttöpään seinämään leikattuja rakoja.

10 Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan imeytys-pää on kytketty ektsruuderin ulostuloon.

Keksinnön mukaisen laitteen erään edullisen suoritusmuodon mukaan imeytys-pää on tasomainen tai käyrä imeytysalueella.

15

Keksintöä kuvataan edelleen, mutta ei rajoiteta, viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa

Kuvio 1 on periaatteellinen piirros keksinnön mukaisesta laitteistosta sovellettu-20 na jatkuvakuituvahvisteisen termoplastisen granulaatin valmistamiseen,

Kuvio 2 on päätykuva keksinnön mukaisesta imeytyspäästä, jossa toistensa suhteen liikkuvat pinnat muodostuvat itse imeytettävästä kuitukimppuradasta ja sylinterimäisen imeytyspään ulkopinnasta, 25

Kuvio 3 on päätykuva keksinnön mukaisesta imeytyspäästä, missä toistensa suhteen liikkuvat pinnat muodostuvat itse imeytettävästä kuitukimppuradasta ja pyörivän imeytyspään ulkopinnasta, 30 Kuvio 4 on päätykuva keksinnön mukaisesta imeytyspäästä, jossa toistensa suhteen liikkuvat pinnat muodostuvat itse imeytettävästä kuitukimppuradasta ja imeytyspään ulkopinnasta, joka on tasomainen imeytysalueella,

Kuvio 5 on yksityiskohta imeytyspäästä, jossa on näkyvissä useita pyöreällä 6 83490 poikkileikkauksella varustettuja syöttöaukkoja termoplastisen sulan hartsin syöttämiseksi,

Kuvio 6 on yksityiskohta imeytyspäästä, jossa näkyy yksi rakomainen syöttöaukko 5 termoplastisen sulan hartsin johtamiseksi syöttöalueelle, ja

Kuvio 7 on yksityiskohta imeytyspäästä, jossa on nähtävissä kaksi rakomaista syöttöaukkoa, jotka avautuvat imeytyspään vastakkaisille puolille termoplastisen sulan hartsin johtamiseksi imeytysalueelle.

10

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

Hartsilla imeytetty kuitukimppunauha tai rata 10b kuljetetaan sitten jäähdytysyk-sikköön 19, jossa sula hartsi jähmetetään jäähdyttämällä. Jähmettäminen voi tapahtua myös kemiallisella reaktiolla, jolloin imeytetty hartsi voi sisältää 25 kovettamiseen tarvittavat lisäaineet ja kovettamisessa voidaan luonnollisesti käyttää hyväksi lisälämmitystä, mikäli tarpeen.

Jäähdytysyksiköstä 19 hartsilla imeytetyt ja kovetetut kuitukimput kuljetetaan senjälkeen leikkuriin 20, joka katkoo kuituvahvistetun tuotteen sopivan pituisiksi 30 kappaleiksi 21, jotka ovat valmiita pakattaviksi tai käyttövalmiita tuotteiden valmistukseen. Keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteistolla on luonnollisesti mahdollista valmistaa myös jatkuvia kuituvahvistettuja tuotteita, jotka siinä tapauksessa leikataan kulloinkin haluttuihin pituuksiin tai jätetään kokonaan leikkaamatta.

7 83490

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

5 Kuviossa 2 on esitetty imeytyspää 30, jonka sisäpuolella on syöttökanava 31. Imeytettävä hartsi 32 pumpataan tämän kanavan 31 läpi esimerkiksi ekstruude-rista (ei esitetty), missä imeytettävä termoplastinen hartsi sulatetaan ja muokataan. Kanavasta 31 ulottuu syöttöaukko 33 imeytyspään 30 sylinterimäiselle ulkopinnalle kohtaan 34. Kuitukimppujen muodostama rata 10a kulkee nuolella 10 A merkittyyn suuntaan ohi tämän imeytyskohdan 34, jolloin syöttöaukosta 33 tuleva hartsi 35 tempautuu rainan 10a pinnan ja imeytyspään 30 pinnan 36 väliin joutuen siten leikkausvoimille alttiiksi, mikä alentaa sen viskositeettia ja varmistaa kuitukimppujen maksimaalisen imeytymisen. Hartsilla imeytettyä kuitukimp-purataa on merkitty viitenumerolla 10b.

15

Kuvio 3 on samanlainen kuin kuvio 2, paitsi että imeytyspään 30 muodostaa pyörivä sylinteri, joka pyörii nuolen B osoittamaan suuntaan. Tässä suoritusmuodossa leikkausvaikutus on voimakkaampi ja tapahtuu pitemmällä alueella kuin kuvion 2 mukaisessa laitteessa.

20

Kuvioiden 2 ja 3 suoritusmuodoissa molemmat pinnat, joiden välissä imeytettävään hartsiin kohdistetaan leikkausvoimia, ovat sylinterimäisiä pintoja. Kuviossa 4 imeytys tapahtuu imeytyspään 30 tasomaisen pinnan 37 ja rainan 10a pinnan välissä.

25

Kuvioissa 5 ja 6 on esitetty syöttöaukkojen 33 erilaisia muotoja. Kuviossa 5 on esitetty kolme pyöreän poikkileikkauksen omaavaa aukkoa. Aukkoja voi olla yksi tai useampia riippuen imeytettävän kuitukimppuradan 10 leveydestä. Kuviossa 6 on yksi rakomainen syöttöaukko 33, jonka leveys vastaa likimain imeytettävän 30 kuitukimppuradan 10 leveyttä. Kuviossa 7 on esitetty suoritusmuoto, jossa on kaksi rakomaista syöttöaukkoa 33, jotka avautuvat vastakkaisille puolille imeytys-päätä 30. Luonnollisesti syöttöaukkoja voi olla usempiakin. Myös kuvion 5 mukaisessa suoritusmuodossa on mahdollista käyttää kahta tai useampaa syöttöaukkojen 33 ryhmää.

s 83490

Vaikka keksintöä on edellä kuvattu sovellettuna liikkuvan kuitukimppurainan imeyttäraiseen, on selvää, että kuitukimppurainan voi muodostaa myös paikoillaan oleva raina ja imeytyspää voi olla liikkuva. Keksinnön toiminta on täsmälleen samanlainen kummassakin tapauksessa. Lisäksi on mahdollista soveltaa 5 kahta tai useampaa keksinnön mukaista imeytyspäätä ja nämä imeytyspäät voivat sijaita imeytettävän kuiturainan samalla tai eri puolilla.

Lisäksi on mahdollista soveltaa keksinnön mukaisessa menetelmässä ja laitteessa jotakin muuta imeytettävän hartsin esikäsittelyä, joka alentaa sen viskositeettia.

10

Claims (13)

1. Menetelmä kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla kuituvahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai 5 useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, imeyttämällä yhden tai useamman kuitukimpun muodostamaa jatkuvaa rainaa (10; 10a) sulalla tai nestemäisellä hartsilla (32,35) ja kovettamalla mainittu hartsi jäähdyttämällä tai kemiallisella reaktiolla, tunnettu siitä, että mainitun imeyttämisen aikana mainittu sula tai nestemäinen hartsi (35) saate-10 taan leikkausvoimien alaiseksi kahden toistensa suhteen liikkuvan lähekkäisen pinnan (10;10a,36;37) välissä siten, että toisen mainituista pinnoista muodostaa liikkuva imeytettävä kuitukimppuraina (10; 10a).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toinen 15 mainituista pinnoista on paikallaan oleva pinta (36;37).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että molemmat mainitut pinnat (10;10a,36;37) ovat liikkuvia pintoja.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitut pinnat ovat sylinterimäisiä pintoja (36) tai tasomaisia pintoja (37).

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että mainittu matriisihartsi on termoplastinen materiaali.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu termoplastinen hartsi on valittu ryhmästä olefiinien homo- ja kopoly-meerit, vinyylikloridin homo-ja kopolymeerit, polyetyleenitereftalaatti, akrylonit- 30 rillin homo- ja kopolymeerit, polyamidit ja kopolyamidit, formaldehydin termoplastiset polymeerit, polykarbonaatti, polysulfoni ja minkä tahansa kahden tai useamman edellämainitun polymeerin seokset.

7. Laite kuitukimppujen imeyttämiseksi sulalla tai nestemäisellä hartsilla kuitu- 10 83490 vahvistetun materiaalin valmistuksessa, joka materiaali käsittää yhden tai useamman kuitukimpun, jossa yksittäiset kuidut ovat matriisihartsin ympäröiminä, tunnettu siitä, että se käsittää elimet leikkausvoimien kohdistamiseksi imeytyksen aikana mainittuun sulaan tai nestemäiseen hartsiin (35), mainittujen 5 elinten käsittäessä kaksi lähekkäistä toistensa suhteen liikkuvaa pintaa (10; 10a, 36;37), joiden välissä mainittu sula tai nestemäinen hartsi pakotetaan virtaamaan ja siten saatetaan leikkausvoimien kohteeksi imeytyksen aikana, ja joista toisen muodostaa liikkuva imeytettävä kuitukimppurata (10;10a) sekä elimet (31,33) mainitun sulan tai nestemäisen hartsin (35) syöttämiseksi mainittujen pintojen 10 (10; 10a,36;37) väliin.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että molemmat mainituista pinnoista (10;10a,36;37) ovat liikkuvia pintoja.

9. Patenttivaatimuksien 7-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut pinnat ovat sylinterimäisiä pintoja (36) tai tasomaisia pintoja (37).

9 83490

10. Patenttivaatimuksien 7-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että elimet mainitun sulan tai termoplastisen hartsin (35) syöttämiseksi mainittujen pintojen 20 väliin käsittävät yhden tai useamman syöttöaukon (33) imeytyspään (30) seinämässä, mainittujen syöttöaukkojen (33) ollessa poikkileikkaukseltaan pyöreitä, suorakulmaisia tai muun muotoisia.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut 25 syöttöaukot (33) ovat syöttöpään seinämään leikattuja rakoja.

12. Patenttivaatimuksien 10-11 mukainen laite, tunnettu siitä, että imeytyspää (30) on kytketty ektsruuderin (15) ulostuloon.

13. Patenttivaatimuksien 10-12 mukainen laite, tunnettu siitä, että imeytyspää (30) on tasomainen tai käyrä imeytysalueella. il 83490