DE69014983T2

DE69014983T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe.

Info

Publication number: DE69014983T2
Application number: DE69014983T
Authority: DE
Inventors: Michael Unger
Original assignee: Neste Oyj
Current assignee: Borealis AS
Priority date: 1989-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-05-11
Also published as: CA2016371A1; ATE115467T1; FI83490C; ES2066129T3; EP0397506A2; FI892264L; US5158806A; CA2016371C; EP0397506A3; FI892264A0; DE69014983D1; EP0397506B1; FI83490B

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe. Insbesondere betrifft vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe, die aus einem verstärkenden, mit einem matrixbildenden Harzstoff gebundenen Faserbündel bzw. Faserbündeln so gebildet werden, daß auch die einzelnen Fasern von Harzstoff umgeben sind.
Das Hauptproblem bei der Herstellung von Produkten dieser Art ist die hohe Viskosität einiger matrixbildender Stoffe. Da die einzelnen Fasern in den Faserbündeln sehr dicht beieinanderliegen, ist es deshalb schwierig für den Harzstoff, in das Bündel einzudringen und sämtliche Einzelfasern zu umgeben. Dies wäre jedoch notwendig im Hinblick auf die Eigenschaften des Produkts, wie Festigkeit, Steifigkeit, chemische Beständigkeit usw.
Zur Lösung des Problems wurden zahlreiche Wege eingeschlagen. Bei einer Lösung werden Faserbündel durch eine sogenannte Querspritzkopfdüse (wie in US 4 588 538 gezeigt) übertragen, in welcher geschmolzenes oder flüssiges Harz in die sich durch die Düse bewegenden Faserbündel eindringt. Bei der sogenannten Pulvermethode (wie in US 4 614 678 gezeigt) wird eine Faserbündelbahn durch ein Bett thermoplastischer Harzteilchen bewegt, wodurch die Faserbündelbahn Harzteilchen mitnimmt, die in einer späteren Stufe geschmolzen werden. Es gibt auch Lösungsmittelverfahren, bei denen Faserbündel mit in einem flüssigen Medium aufgelösten Harzen inprägniert werden.
Die Querspritzkopfdüsenmethode hat sich bei der Imprägnierung von Faserbündeln mit thermoplastischem Harz als unwirksam erwiesen, da nicht alle Einzelfasern von Harzstoff umgeben werden. Bei Pulvermethoden hat es sich erwiesen, daß die eine große Zahl Verarbeitungsstufen benötigen, die schier zu synchronisieren sind, teuer in der Anschaffung sind und unter Beschädigung der Verstärkung ablaufen. Bei Läsungsmittelmethoden ist ein Trocknungsverfahren erforderlich, was teuer ist, Umweltprobleme verursacht, viel Zeit braucht und das Produktionsausmaß beschränkt. Ferner ist die Qualität des Produkts wegen der nach der Entfernung der Lösungsmittel verbliebenen Hohlräume schlecht.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnieren von Verstärkungsfasern in Form von Faserbündeln, so daß Einzelfasern von Bindungsharz umgeben sind. Die Erfindung beruht auf der bekannten Erscheinung, daß gegebene pseudoplastische Stoffe, die Scherbelastungen ausgesetzt werden, eine Abnahme der Viskosität zeigen. Diese als Scherverdünnung bekannte Erscheinung tritt häufig bei verschiedenen Emulsionen, Dispersionen, Suspensionen und anderen Stoffen einschließlich geschmolzener thermoplastischer Harze und Lösungen duroplastischer Harze auf. Die Tendenz zum Auftreten von Scherverdünnung läßt sich mit dem Niveau der auf den Stoff aufgebrachten Scherbelastung ändern. Bei niedrigen Belastungen wird geringes Ansprechen erreicht, bei mäßigen Scherbelastungen nimmt die Scherverdünnung dramatisch zu, während bei sehr hohen Belastungen das Ansprechen auf niedrigere Niveaus zurückgeht, wenn sich die Viskosität des Stoffs dem Minimum nähert.
Ein typischer Viskositätsbereich für thermoplastische Harzschmelzen ist 10²-10&sup6; Pas und für Duroplastharzlösungen 100- 5000 Pas. Beim Imprägnieren von Verstärkungsfasern ist ein Bereich von 1-10 Pas ideal, eine übliche Größe beträgt 10² Pas, und in manchen Fällen kann 10³ Pas annehmbar sein. Typische Schergefällebereiche für Polymerschmelzen und -lösungen sind 10&supmin;¹-10&sup6; l/s, und der Bereich höchsten Ansprechens kann bei 10&sup0;-10&sup4; l/s liegen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um die Imprägnierung von Faserbündeln mit geschmolzenem oder flüssigem Harz bei der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe, wobei der Stoff aus einem oder mehreren Faserbündeln besteht, worin jede Faser von Matrixharz umgeben ist, durch Imprägnierung einer endlosen Bahn eines oder mehrerer Faserbündel mit geschmolzenem oder flüssigem Harz und dessen Verfestigung durch Abkühlung oder chemische Umsetzung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man während dieser Imprägnierung den geschmolzenen oder flüssigen Harz stoff Scherkräften aussetzt, indem man diesen zwischen nahe benachbarte, sich relativ zueinander bewegende Flächen einbringt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine der sich bewegenden Flächen die endlose Bahn eines zu imprägnierenden Faserbündels bzw. Bündeln selbst dar. In diesem Fall wird das Imprägnierharz zwischen ein zu imprägnierendes Faserbündel und die feststehende oder sich bewegende Fläche eingeführt, wobei sich die Flächen natürlich in unterschiedlichen Richtungen bewegen. Dies verursacht auf das Imprägnierharz gerichtete Scherkräfte und verringert die Viskosität des Harzes und erleichtert die Bedeckung der Einzelfasern mit Harz.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, einen beliebigen faserverstärkten Werkstoff herzustellen, in welchem die Fasern als Bündel vorliegen. Als Fasern kommen beliebige Faserarten in Frage, die durch ein Matrixharz gebunden werden können. Solche Produkte sind beispielsweise faserverstärkte Granulate zum Spritzguß oder für andere Verfahren, Präpregs oder vorimprägnierte Stoffe für zusätzliche Verfahren, wie Pultrusion, Wickelverfahren, Bebänderung usw.
Für die Erfindung geeignete Fasern sind somit Glasfasern, Kohlenstoffasern und Aramidfasern sowie thermoplastische Fasern. Die am häufigsten verwendeten Faserstoffe sind Glasfaserprodukte in Form von Bündeln, die man als Einzelbündel oder auch in Form gewebter Produkte, um Beispiel als Glasseidenstränge, einsetzen kann. Typischerweise enthalten Glasfaserbündel Tausende von Einzelfasern mit einem Durchmesser von 10-17 m.
Der zum Binden faserverstärkter Produkte verwendete Harzstoff kann ein thermoplastisches Harz, mit dessen Schmelze Faserbündel imprägniert werden, oder ein duroplastisches Harz sein, das nach dem Imprägnieren durch Hitze oder chemische Umsetzung verfestigt wird.
Geeignete thermoplastische Harze sind unter anderen Olefinhomo- und -copolymere, Vinylchloridhomo- und -copolymere, Polyethylenterephthalat, Acrylnitrilhomopolymere und -copolymere, Polyamide oder Copolyamide, thermoplastische Formaldehydpolymere, Polycarbonat, Polysulfon und Gemische von zwei oder mehr beliebigen der obigen Polymeren oder allgemein beliebige andere Thermoplaste, die durch Scherwirkung verringerte Viskosität zeigen.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zum Imprägnieren von Verstärkungsfasern in Form von Faserbündeln bei der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe (wobei der Stoff ein oder mehrere Bündel enthält, worin jede Faser von Matrixharz umgeben ist), umfassend Mittel zum Zuführen geschmolzenen oder flüssigen Harzes zu dem Faserbündel. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Mittel, mit denen das geschmolzene oder flüssige Harz während dieser Imprägnierung Scherkräften ausgesetzt wird, wobei diese Mittel aus zwei nahe benachbarten Flächen bestehen, zwischen denen dieser geschmolzene oder flüssige Harzstoff zum Fließen gebracht und dadurch während der Imprägnierung Scherkräften ausgesetzt wird, wobei die Zufuhrmittel der Zuführung dieses geschmolzenen oder flüssigen Harzstoffes zwischen diese Flächen dienen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine dieser Flächen eine sich bewegende Fläche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind beide diese Flächen sich bewegende Flächen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht eine dieser Flächen aus einer Bahn eines zu imprägnierenden Faserbündels.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die sich bewegenden Flächen zylinderförmige Flächen, in welchem Fall eine der Flächen von der zu imprägnierenden Bahn gebildet wird. Diese Flächen können auch ebene Flächen sein, wobei eine der Flächen die zu imprägnierende Bahn selbst sein kann, oder diese Flächen durch zwei Scheiben gebildet werden können, die in entgegengesetzten Richtungen rotieren und nahe beieinander liegen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen diese Mittel zum Zuführen geschmolzenen oder flüssigen Harzes zwischen diese Flächen aus einer oder mehreren Zufuhröffnungen in der Wand eines Imprägnierkopfes, welche einen kreisförmigen, rechteckigen oder sonstigen Querschnitt aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind diese Zufuhröffnungen ein oder mehrere in die Wand eines Imprägnierkopfes eingeschnittene Schlitze.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dieser Imprägnierkopf mit dem Ausgang eines Extruders verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Imprägnierkopf innerhalb des Imprägnierungsbereichs gekrümmt oder eben.
Die Erfindung sei mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, aber nicht darauf beschränkt; es zeigen:
Fig. 1 ein Übersichtsbild einer erfindungsgemäßen, zur Herstellung endlos faserverstärkter thermoplastischer Granulate verwendeten Vorrichtung,
Fig. 2 eine Endansicht eines erfindungsgemäßen Imprägnierkopfes, wobei die sich relativ zueinander bewegenden Flächen durch die Faserbündelbahn selbst und die Außenfläche eines zylinderförmigen Imprägnierkopfes gebildet sind,
Fig. 3 eine Endansicht eines erfindungsgemäßen Imprägnierkopfes, wobei die sich relativ zueinander bewegenden Flächen durch die Faserbündelbahn selbst und die Außenfläche eines rotierenden Imprägnierkopfes gebildet sind,
Fig. 4 ist eine Endansicht eines erfindungsgemäßen Imprägnierkopfes, wobei die sich relativ zueinander bewegenden Flächen durch das Faserbündel selbst und die Außenfläche des Imprägnierkopfes gebildet sind, wobei die Außenfläche innerhalb des Imprägnierungsbereichs eben ist,
Fig. 5 eine Einzelheit eines Imprägnierkopfes, die mehrere Zufuhröffnungen runden Querschnitts zur Zufuhr geschmolzenen thermoplastischen Harzes zum Imprägnierungsbereich zeigt,
Fig. 6 eine Einzelheit eines Imprägnierkopfes, die eine schlitzartige Zufuhröffnung zum Zuführen geschmolzenen thermoplastischen Harzes zum Imprägnierungsbereich zeigt, und
Fig. 7 eine Einzelheit eines Imprägnierkopfes, die zwei schlitzartige Zufuhröffnungen runden Querschnitts zeigt, die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Imprägnierkopfes zur Zufuhr geschmolzenen thermoplastischen Harzes zum Imprägnierungsbereich öffnen.
In Fig. 1 wird eine Bahn 10 aus Glasfaserbündeln von einer Trommel 11 durch eine Vorheizkammer 12 und eine Ausbreitungsvorrichtung 13 einem Imprägnierkopf 18 zugeführt. In der Ausbreitungsvorrichtung 13 wird die Bahn 10 über einen Walzensatz 14 so transportiert, daß die Faserbahn abwechselnd über und unter den Walzen durchläuft. Dies breitet die Einzelfasern in den Bündeln aus und erleichtert somit die Imprägnierung in der Imprägnierungsstufe. Diese Ausbreitungsvorrichtung 13 ist jedoch nicht notwendig und bildet nicht einen Teil der Erfindung. Der Imprägnierkopf 18 ist mit einem Extruder 15 verbunden, dem der Imprägnierungsharzstoff 16 durch einen Trichter 17 zugeführt wird. Im Extruder 15 wird das Harz geschmolzen und zur Zuführung zu dem erfindungsgemäßen Imprägnierkopf 18 bereitgestellt.
Die harzimprägnierte Bahn 10b bzw. das Band aus Faserbündeln wird dann auf eine Kühleinheit 19 übertragen, wo das geschmolzene Harz durch Abkühlung verfestigt wird. Die Verfestigung kann auch durch chemische Umsetzung erfolgen, wobei das imprägnierte Harz zur Verfestigung notwendige Zusatzstoffe enthalten kann, und bei der Verfestigung kann natürlich nötigenfalls zusätzliches Erhitzen verwendet werden.
Von der Kühleinheit 19 werden die mit Harz imprägnierten und verfestigten Faserbündel dann zu einem Schneidwerk 20 übertragen, welches die imprägnierte Bahn zu Stücken 21 der richtigen Länge schneidet, die zum Verpacken oder zur Verwendung bei der Herstellung der Produkte bereit sind. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung ist es natürlich ebenfalls möglich, endlose faserverstärkte Produkte herzustellen, die in diesem Fall in Stücke der erwünschten Längen geschnitten oder ganz ungeschnitten belassen werden.
Der Transport der Bahn 10 durch die Vorrichtung in Fig 1 kann mittels einer beliebigen geeigneten Zieheinrichtung erfolgen. Eine mit Riemen angetriebene Ziehvorrichtung 23 ist in Fig. 1 schematisch abgebildet.
Fig. 2 veranschaulicht einen Imprägnierkopf 30, innerhalb dessen sich ein Zufuhrkanal 31 befindet. Das Imprägnierharz 32 wird durch diesen Kanal 31, beispielsweise aus einem Extruder (nicht gezeigt), wo das thermoplastische Imprägnierharz geschmolzen wird, gepumpt. Von dem Kanal 31 erstreckt sich eine Zufuhröffnung 33 zu der zylinderförmigen Außenfläche des Imprägnierkopfes 30 an der Stelle 34. Die Faserbündelbahn 10a läuft in der mit dem Pfeil A bezeichneten Richtung an dieser Imprägnierstelle 34 vorbei, wodurch das Harz zwischen die Flächen der Bahn 10a und die Fläche 36 des Imprägnierkopfes 30 gezogen wird und damit Scherkräften ausgesetzt wird, welche seine Viskosität erniedrigen und maximale Imprägnierung der Faserbündel sicherstellen. Die mit Harz imprägnierte Faserbündelbahn ist mit 10b bezeichnet.
Fig. 3 ist ähnlich Fig. 2, außer daß der Imprägnierkopf 30 durch einen rotierenden Zylinder gebildet ist, der in der Richtung des Pfeils B rotiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Scherwirkung stärker und erfolgt über einen längeren Bereich als in der Vorrichtung nach Fig. 2.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 besitzen die beiden Flächen, zwischen denen die Scherwirkung stattfindet, eine zylinderartige Gestalt. In Fig. 4 erfolgt die Imprägnierung zwischen den ebenen Flächen 37 des Imprägnierkopfes 30 und der Fläche der Bahn 10.
In Fig. 5 und 6 sind verschiedene Gestalten der Zufuhröffnungen 33 veranschaulicht. In Fig. 5 sind dies drei Öffnungen 33 mit kreisförmigem Querschnitt. Je nach der Breite des Faserbündels 10 können dabei eine oder mehrere Öffnungen vorliegen. In Fig. 6 liegt eine schlitzartige Zufuhröffnung 33 vor, die ungefähr ebenso breit wie die Faserbündelbahn ist. Fig. 7 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der zwei schlitzartige Zufuhröffnungen 33 auf gegenüberliegenden Seiten des Imprägnierkopfes 30 liegen. Natürlich können mehr als zwei schlitzartige Zufuhröffnungen vorliegen. Es ist bei der Ausführungsform nach Fig. 5 auch möglich, zwei oder mehr Gruppen von Zufuhröffnungen 33 zu verwenden.
Die Erfindung wurde zwar oben mit Bezug auf die Imprägnierung einer sich bewegenden Faserbündelbahn beschrieben, doch ist es klar, daß die Faserbündelbahn feststehend und der Imprägnierkopf beweglich angeordnet werden kann. Die Funktion der Erfindung wird in beiden Fällen gleich sein. Ferner ist es möglich, zwei oder mehr erfindungsgemäße Imprägnierköpfe zu verwenden, und diese Imprägnierköpfe können auf derselben oder auf verschiedenen Seiten der zu imprägnierenden Faserbahn angeordnet werden.
Außerdem ist es möglich, das Imprägnierharz auf andere Weise zur Viskositätsabnahme vorzubehandeln als bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung.

Claims

1. Verfahren zum Imprägnieren von Faserbündeln mit geschmolzenem oder flüssigem Harz im Verlauf der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe durch Imprägnieren einer endlosen Bahn (10; 10a) eines oder mehrerer Faserbündel mit geschmolzenem oder flüssigem Harz (32, 33) und dessen Verfestigung durch Abkühlung oder chemische Umsetzung, dadurch gekennzeichnet, daß man während dieser Imprägnierung den geschmolzenen oder flüssigen Harzstoff (35) Scherkräften aussetzt, indem man diesen zwischen zwei nahe benachbarte, sich relativ zueinander bewegende Flächen (10; 10a, 36; 37) einbringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bewegenden Flächen oder eine von diesen die endlose Bahn (10; 10c) eines Faserbündels selbst umfassen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Harzmatrix ein thermoplastischer Stoff ist, der vorzugsweise eine oder mehrere Olefinhomo- und -copolymere, Vinylchloridhomo- und -copolymere, Polyethylenterephthalat, Acrylnitrilpolymere und -copolymere, Polyamide oder Copolyamide, thermoplastische Formaldehydpolymere, Polycarbonate oder Polysulfone umfasst.

4. Vorrichtung zum Imprägnieren von Faserbündeln mit geschmolzenem oder flüssigem Harz im Verlauf der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe, umfassend Mittel (31, 33) zum Zuführen geschmolzenen oder flüssigen Harzes zu dem Faserbündel, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen das geschmolzene oder flüssige Harz (35) während dieser Imprägnierung Scherkräften ausgesetzt wird, wobei diese Mittel aus zwei nahe benachbarten, sich relativ zueinander bewegenden Flächen (10; 10a, 36; 37) bestehen, zwischen denen dieser geschmolzene oder flüssige Harzstoff zum Fließen gebracht und dadurch während der Imprägnierung Scherkräften ausgesetzt wird, wobei die Zufuhrmittel (31, 33) der Zuführung dieses geschmolzenen oder flüssigen Harzes (35) zwischen diese Flächen (10; 10a, 36; 37) dienen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dieser Flächen eine sich bewegende Fläche (10; 10a) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide diese Flächen sich bewegende Flächen (10; 10a) sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dieser Flächen eine Bahn (10; 10a) eines zu imprägnierenden Faserbündels umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Flächen zylinderförmige oder ebene Flächen (37) sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel zum Zuführen geschmolzenen oder flüssigen Harzes zwischen diese Flächen aus einer oder mehreren Zufuhröffnungen (33) in der Wand eines Imprägnierkopfes (30) bestehen, welche einen kreisförmigen, rechteckigen oder sonstigen Querschnitt aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zufuhröffnungen (33) in die Wand eines Imprägnierkopfes eingeschnittene Schlitze sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Imprägnierkopf (30) mit dem Ausgang eines Extruders (15) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Imprägnierkopf innerhalb des Tmprägnierungsbereiches gekrümmt oder eben ist.