DE68902483T2

DE68902483T2 - Verfahren und anlage zur herstellung eines bandes, das aus mindestens einem garn besteht, das mit einem thermoplastischen polymer impraegniert ist.

Info

Publication number: DE68902483T2
Application number: DE8989400138T
Authority: DE
Inventors: Gerard Lamure; Dominique Loubinoux
Original assignee: Institut Francais Textile et Habillement
Current assignee: Institut Francais Textile et Habillement
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1989-01-18
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2009-01-19
Also published as: EP0326460B1; FR2626213B1; DE68902483D1; EP0326460A1; FR2626213A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Bandes, das aus mindestens einem mit einem Polymer, insbesondere einem thermoplastischen Polymer, imprägnierten Faden besteht, insbesondere hinsichtlich seiner Verwendung bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen.
Im folgenden wird unter dem Ausdruck "Band" ein Element unbestimmter Länge und kleiner Breite, beispielsweise von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern, verständen, das aus einem multifilamentären Fäden oder einer Lage von multifilamentären Fäden besteht und mit einem als Matrix dienenden Polymer imprägniert ist. Dieser Typ eines Bandes dient als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Verbundwerkstoffen und wird beispielsweise durch Weben, Stricken oder Flechten verarbeitet; der endgültige Verbundwerkstoff wird durch eine anschließende Wärmebehandlung erhalten: Durch Pultrusion, Fadenaufwicklung und Verpressen.
Die Mehrzahl der Verbundwerkstoffe mit organischer Matrix werden aus in einem wärmehärtbaren Harz eingebetteten Fäden hergestellt; die Fäden bestehen hauptsächlich aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid, die Harze hauptsächlich aus Epoxiden, Polyestern, Phenolharzen und Polyurethanen. Diese wärmehärtbaren Harze werden in Lösung oder in Form von Monomeren, mit geringer Viskosität, eingesetzt, was eine sehr gute Imprägnierung jedes Filaments, aus denen die Verstärkungsfäden bestehen, sicherstellt. Diese Verbundwerkstoffe besitzen gute mechanische Eigenschaften sowohl hinsichtlich der Dehnungsfähigkeit als auch hinsichtlich der Scherfestigkeit. Sie weisen jedoch in mechanischer Hinsicht einen Nachteil auf, nämlich eine gewisse Schlagbrüchigkeit; außerdem ist wegen der Vernetzungskinetik der eingesetzten wärmehärtbaren Harze zu ihrer Herstellung eine beträchtliche Zeit erforderlich.
Es wurde bereits versucht, diese Nachteile zu beheben, indem Verbundwerkstoffe nicht mehr aus wärmehärtbaren, sondern aus thermoplastischen Harzen hergestellt wurden. Tatsächlich ist die Verarbeitung dieser Harze einfacher, und ihr Schlägverhalten sowie ihre Ermüdungsbeständigkeit sind besser. Sie weisen jedoch im geschmolzenen Zustand eine hohe Viskosität auf, die ein gutes Eindringen in das Innere der Verstärkungsfäden und daher eine homogene Umhüllung der Multifilamente, aus denen jeder Verstärkungsfaden besteht, mit dem Harz verhindert. In einigen begrenzten Fällen, bei denen der Einsatz besonderer technischer Mittel möglich ist, kann ein gutes Eindringen in das Innere erhalten werden, indem bei erhöhten Drucken gearbeitet wird; dies ist der Fall bei den Techniken des sog. Einspritzens und des Verpressens.
Bei den anderen Techniken, beispielsweise der Filamentwicklung, der Pultrusion oder dem Pulforming, hängt die Qualität der erhaltenen Verbundmaterialstücke hauptsächlich von der Qualität der Imprägnierung im Inneren der Verstärkungsfäden und ihrer Homogenität ab.
Aus den französischen Patenten FR 7401975, FR 8303938 und FR 8107971 sind Verfahren bekannt, die darauf abzielen, eine gute Imprägnierung der Verstärkungsfäden mit dem thermoplastischen Harz zu erhalten. Gemäß diesen Verfahren liegt das thermoplastische Polymer in Form eines Pulvers vor, das mit verschiedenen Techniken (elektrostatisch, Suspension, Fließbett) in den Faden eingebracht wird. Dieses Pulver muß eine gut eingestellte Teilchengrößenverteilung besitzen, die um Werte von 10 bis 15 um zentriert ist. In FR 8405627 wird der Faden, dessen Fasern mit dem thermoplastischen Pulver umhüllt sind, anschließend mit einer Umhüllung versehen, die dazu dient, das Pulver im Inneren des Fadens festzuhalten und so eine Beschädigung des Fadens während der Herstellung des Verbundmaterials zu verhindern.
Diese neuen Verfahren sind nur beschränkt anwendbar, da nur wenige thermoplastische Polymere in Form von Pulvern definierter Korngröße verfügbar sind.
Nach Auffassung des Anmelders ist es wichtig, ein homogenes Eindringen des thermoplastischen Materials sicherzustellen, das für eine gute Haftung zwischen den Filamenten und dem thermoplastischen Material nötig ist.
Es wurde nun, entsprechend der Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes gefunden, das aus mindestens einem multifilamentären Faden besteht, der im Inneren mit einem thermoplastischen Polymer imprägniert ist, das die genannten Nachteile behebt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
a) Man führt eine kontrollierte Umhüllung des Fadens bzw. der Fäden mit dem thermoplastischen Polymer durch, und
b) man führt den bzw. die so umhüllten Fäden in kontinuierlichem Lauf zwischen zwei Druckwalzen hindurch, während man gleichzeitig das zur Umhüllung dienende Polymer erhitzt, um es in den plastischen Zustand zu bringen.
Die Umhüllung des Fadens mit dem thermoplastischen Polymer geschieht mit dem Ziel, auf den Faden eine festgelegte Menge des Polymers aufzubringen, mindestens so viel, wie für ein homogenes Überziehen der Fasern nötig ist, die den Verstärkungsfaden bilden. Das Hindurchführen des Fadens zwischen den beiden Walzen geschieht mit dem Ziel, das Polymer zwischen die Filamente eindringen zu lassen, während dieses Polymer im plastischen Zustand ist. Diese letzte Bedingung ist für ein gutes Eindringen durch einfaches Kalandern zwischen zwei Druckwalzen absolut unerläßlich, wie es im erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen ist. Darüber hinaus verleiht das Kalandern dem Fäden die Form eines flachen Bandes.
Vorzugsweise wird die kontrollierte Umhüllung des Fadens mit dem thermoplastischen Polymer durchgeführt, indem der Faden durch die zur Umhüllung dienende Düse einer Strangpresse, die mit dem thermoplastischen Polymer in Form von Granulatkörnern beschickt wird, hindurchgeführt wird. So liegt das Polymer im Gegensatz zu den Verfahren, bei denen es in Form eines kalibrierten Pulvers verwendet wird, anfänglich in seiner gängigsten und billigsten Form vor.
Beim Hindurchführen zwischen den beiden Druckwalzen muß das die Umhüllung des Fadens bildende Polymer in plastischem Zustand vorliegen. Dies wird beispielsweise durch Hindurchführen des umhüllten Fadens zwischen zwei Walzen erreicht, von denen mindestens eine auf einer Temperatur gehalten wird, die mindestens gleich der Schmelztemperatur des thermoplastischen Polymers ist. Wenn als thermoplastisches Polymer Polypropylen verwendet wird, liegt die Temperatur der Walzen in der Größenordnung von 200ºC.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird das Überführen des Polymers in den plastischen Zustand durch Einwirkung von Ultraschall während des Hindurchführens des umhüllten Fadens zwischen den beiden Walzen vorgenommen.
Vorzugsweise beträgt die von den beiden Druckwälzen in Querrichtung auf den Fäden ausgeübte Kraft größenordnungsmäßig 300 bis 500 N pro Zentimeter Faden.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine speziell für die Durchführung des vorgestellten Verfahrens entworfene Vorrichtung bereitzustellen. Diese Vorrichtung umfaßt eine Umhüllungsvorrichtung, mit der eine kontrollierte Umhüllung eines multifilamentären Fadens mit einem thermoplastischen Polymer durchgeführt werden kann, und eine Imprägniereinheit, die einen Satz von zwei Druckwälzen mit Mitteln zum Überführen des Polymers in den plastischen Zustand aufweist.
Vorzugsweise besteht die Umhüllungsvorrichtung aus einer Strangpresse, die mit Polymer in Form von Granulat beschickt wird und eine zur Umhüllung dienende Düse aufweist. Die Imprägniereinheit besteht beispielsweise aus einem Satz von zwei beheizten Walzen vom Typ eines Kalanders.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Einrichtung der Erfindung besteht die Imprägniereinheit aus einem Satz von zwei Druckwalzen, von denen eine eine rotierende, mit einem Ultraschallgenerator verbundene Sonotrode ist und die andere Walze mit der Sonotrode in Arbeitskontakt steht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Herstellung eines flachen Bandes erläutert, das aus mindestens einem multifilamentären, mit einem thermoplastischen Polymer imprägnierten Faden besteht, wobei die Beschreibung durch die Zeichnung verdeutlicht wird, bei der die einzige Figur eine schematische Schnittdarstellung einer mit einer Sonotrode ausgestatteten Vorrichtung ist.
Der Faden 1 wird von einer nicht dargestellten Einrichtung zugeführt. Es handelt sich um einen Faden zur Verstärkung bei der Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit thermoplastischer Matrix. Er besteht vorzugsweise aus einem anorganischen Material, wie Kieselsäure, Glas oder Kohlenstoff. Seine Feinheit liegt beispielsweise zwischen 50 und 1200 tex. Selbstverständlich wird die Schlichte, mit der der Faden 1 bei seiner Herstellung imprägniert wird, so gewählt, daß sie mit dem thermoplastischen Polymer, das als Matrix des Verbundwerkstoffs ausgewählt wurde, verträglich ist.
Die Strangpresse 2 ist eine herkömmliche Vorrichtung mit Fülltrichter 3 und der Düse 4 als Ausgang. Die Düse 4 ist eine Düse zur Umhüllung von dem Typ, wie er zur Ummäntelung elektrischer Kabel verwendet wird, wobei die Düse und der Düsendorn an brüchige Fäden angepaßt sind. Sie weist eine Fadenführung aus Keramik auf, so daß der Faden 1 nicht beschädigt wird. Der Innendurchmesser des Düsendorns beträgt 1,9 mm.
Das thermoplastische Polymer wird aus einem sehr weiten Bereich von Produkten ausgewählt, beispielsweise unter Polyamiden, Polyestern, Polypropylen, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyacetalen, Polyvinylidenfluorid, Polyphenylensulfiden, Polyetheretherketonen, Polysulfonen, Polycarbonaten und Polystyrol.
Das Polymer wird in Form von Granulatkörnern 5 in den Fülltrichter 3 eingeführt und anschließend in den verschiedenen Heizelementen der Strangpresse 2 bis zur Düse 4 zur Umhüllung geführt. Der Körper der Strangpresse 2 besitzt einen Innendurchmesser von 30 mm; die Drehzahl der Schraube beträgt 15 min&supmin;¹.
Die Druckwalzen 6 und 7 sind so unter der Düse 4 angeordnet, daß sich ihre Berührungslinie in der senkrechten, durch die Düse 4 gehenden Ebene befindet. Eine der Walzen 6 ist ihrerseits eine mit einem Generator 9 verbundene rotierende Sonotrode, die ändere Walze 7 steht mit der Sonotrode 6 in Arbeitskontakt. Sie besitzen einen äußeren Durchmesser von 130 mm.
Ein System zur Aufnahme des Bandes ist unterhalb der Walzen 6 und 7 angebracht, beispielsweise eine Kegelwickelmaschine. In der Figur ist nur die Rolle 10 dargestellt.
Die Einrichtung arbeitet folgendermaßen. Der multifilamentäre Faden 1 wird von einer Fadenspule der Düse 4 zur Umhüllung zugeführt. Bei seinem Durchgang durch die Düse 4 nimmt der Faden 1 eine gewisse Menge des thermoplastischen Polymers im geschmolzenen Zustand in Form einer Umhüllung mit. Der so umhüllte Faden 1' geht anschließend zwischen den zwei Walzen. 6 und 7 hindurch, die sich in entgegengesetztem Drehsinn um ihre horizontalen Achsen in Richtung der Pfeile F1 und F2 drehen. Die Drehgeschwindigkeit der Walzen ist so festgelegt, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit gleich der Aufwickelgeschwindigkeit des Bandes 1'' auf der Rolle 10 ist. Während des Durchgangs zwischen den beiden Walzen 6 und 7 unterliegt der umhüllte Fäden 1' zwei Wirkungen: Die erste entspricht der Wirkung des Ultraschalls zwischen der Sonotrode 6 und der mit dieser in Arbeitskontakt stehenden Walze 7, die zweite dem von den beiden aneinander anliegenden Walzen 6 und 7 ausgeübten Druck. Der Ultraschall ruft die sofortige Aufheizung des Polymers hervor, und die Leistung der Sonotrode ist so festgelegt, daß das thermoplastische Polymer den plastischen Zustand erreicht. Gleichzeitig zwingt der von den Walzen ausgeübte Druck das Polymer, im plastischen Zustand in das Innere des Fadens einzudringen und jede Faser homogen zu umgeben; der Fäden 1'' nimmt die flache Form eines Bandes an. Dieses Band 1'' wird in Form einer Rolle 10 aufgewickelt.
Als Beispiel wurde ein Faden aus Glas E mit 320 tex mit Polypropylen Typ 35 imprägniert. Die jeweiligen Temperaturen der drei Heizelemente der Strangpresse 2 betrugen nacheinander 210, 230 bzw. 240ºC, die Temperatur der Düse 4 war 250ºC. Die Sonotrode besaß eine Leistung von 1,2 kW bei einer Frequenz von 20 kHz. Der flache Fäden zwischen den Druckwalzen besaß eine Breite von 2,5 mm, und die von den beiden Druckzylindern in Querrichtung ausgeübte Kraft betrug 120 N. Das erhaltene Band 1'' wies einen Anteil von 50 Masse-% Polypropylen auf. Seine Zugfestigkeit betrug 15,5 daN und seine Bruchdehnung 2,6%.
Bei einem weiteren Beispiel besaß der Glasfaden 1200 tex, das Polypropylen wär vom Typ 250, und die von den beiden Walzen ausgeübte Kraft betrug 120 N, wobei der flache Faden eine Breite von 4 mm besaß.
Die mit einer Sonotrode ausgestattete Einrichtung, die oben beschrieben wurde, ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Erwärmung des thermoplastischen Polymers mit Ultraschall, die gleichzeitig in der gesamten Polymermasse stattfindet, so gesteuert werden kann, daß das Polymer in plastischem Zustand nicht an den Walzen 6 und 7 anhaftet. So befindet sich die Menge des auf den Faden 1' nach dem Durchgang durch die Düse 4 aufgebrächten Polymers nach dem Durchgang zwischen den beiden Walzen vollständig auf dem Band 1''. Darüber hinaus begünstigt der Ultraschall die Imprägnierung des multifilamentären Fadens im Inneren mit dem Polymer im plastischen Zustand.
Bei einer weiteren Ausführungsart der Einrichtung, bei der die beiden Walzen 6 und 7 auf 200ºC erwärmte Wälzen sind, führt der gleiche Glasfaden als Ausgangsmaterial zu einem Band 1'', das einen Anteil von 35 Masse-% Polypropylen aufweist. Die Zugfestigkeit betrug 16,3 daN und seine Bruchdehnung 2,5%.
Die erhaltenen Bänder 1'' sind insbesondere bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendbar. Solche Werkstoffe werden entweder ausgehend von Bandrollen 10 oder sogar direkt mit Hilfe des zwischen den Walzen 6 und 7 hinaustretenden Bandes 1'' nach dem Verfahren der Pultrusion hergestellt. Die mit Hilfe dieser Bänder 1'' hergestellten Verbundwerkstoffe können im Fall der Pultrusion zur unidirektionalen Verstärkung oder im Fall der Verarbeitung durch Weben oder der Anordnung der Bänder in mehreren Richtungen mit anschließendem Heißverpressen zur multidirektionalen Verstärkung verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Bandes, das aus mindestens einem multifilamentären imprägnierten Faden im Inneren eines thermoplastischen Polymers besteht, dadurch gekennzeichnet, daß man:

a) eine kontrollierte Umhüllung des Fadens bzw. der Fäden (1) mit dem thermoplastischen Polymer durchführt und

b) anschließend den bzw. die so umhüllten Fäden (1') in kontinuierlicher Abwicklung zwischen zwei Druckwalzen (6, 7) hindurchführt, während man gleichzeitig das zur Umhüllung dienende Polymer erhitzt, um es in plastischen Zustand zu bringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontrollierte Umhüllung des Fadens mit dem thermoplastischen Polymer durchgeführt wird, indem der Fäden (1) durch die zur Umhüllung dienende Düse (4) einer Strangpresse (2), die mit dem thermoplastischen Polymer in Form von Granulat (5) beschickt wird, hindurchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den umhüllten Fäden (1') zwischen zwei Walzen (6, 7) hindurchführt, von denen mindestens eine auf einer Temperatur gehalten wird, die mindestens gleich der Schmelztemperatur des thermoplastischen Polymers ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des zur Umhüllung dienenden Polymers durch Einwirkung von Ultraschall während des Hindurchführens des umhüllten Fadens (1') zwischen den beiden Walzen (6, 7) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Druckwalzen in Querrichtung auf den Faden (1) ausgeübte Kraft in der Größenordnung von 300 bis 500 N pro Zentimeter Faden liegt.

6. Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vorrichtung zur Umhüllung (2, 4), mit der eine kontrollierte Umhüllung eines multifilamentären Fadens (1) mit einem thermoplastischen Polymer durchgeführt werden kann, und eine Imprägniereinheit mit einem Satz von zwei Druckwalzen (6, 7) aufweist, die Mittel aufweisen, um das Polymer in den plastischen Zustand zu überführen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Umhüllung aus einer Strangpresse (2) besteht, die mit Polymer in Form von Granulat (5) beschickt wird und eine zur Umhüllung dienende Düse (4) aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägniereinheit aus einem Satz von zwei beheizten Walzen (6, 7) vom Typ eines Kalanders besteht.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägniereinheit aus einem Satz von zwei Walzen (6, 7) besteht, von denen eine Walze (6) eine mit einem Ultraschallgenerator (9) verbundene Sonotrode ist und die andere Walze (7) mit der Sonotrode (6) in Arbeitskontakt steht.