DK155801B - Overhakkede armeringsfibre samt fremgangsmaade til fremstilling deraf - Google Patents

Description

i

DK 155801 B

Den foreliggende opfindelse angår armeringsfibre af formstof, hvilke fibre egner sig som fiberarmering i kompositmaterialer med matrix af et uorganisk bindemiddel såsom Portland cement, aluminatcement, flyveaskecement, kalk, gips, diatoméjord, puzzolaner og blandinger 5 deraf, eller i kompositmaterialer med en matrix af et organisk bindemiddel, især som fiberarmering i fibercementprodukter, f.eks. rør, planer og korrugerede plader; beton; kit og lignende forseglingsma-terialer, fuge- eller tætningsfyldmaterialer og "undercoat" til biler.

Det er kendt at anvende formstoffiber, især fibre af strakt formstof, 10 som armeringsfibre i en lang række sådanne materialer.

Disse fibre kan fremstilles med god modstandsdygtighed over for de påvirkninger, som de kan blive udsat for under deres anvendelse i de pågældende fiberarmerede materialer, og de kan fremstilles med fortrinlige styrkeegenskaber.

15 Effektiviteten af armeringsfibre i en matrix afhænger imidlertid af, hvor godt og i hvilken mængde fibrene effektivt kan inkorporeres i matrixen og blive ensartet fordelt gennem matrixen. Det er kendt, at mange tidligere forsøg på at armere f.eks. cementmatricer og lignende materialer med formstoffibre er mislykkedes af den grund, at det ikke 20 har været muligt at indblande og fuldstændigt dispergere fibrene i tilstrækkelig store mængder, så at slutprodukterne blev underarmerede eller indeholdt klumper af dårligt dispergerede fibre, hvilket førte til sprøde kompositmaterialer selv i tilfælde, hvor fibrene i sig selv havde sådanne egenskaber, som teoretisk ville have forbedret mate-25 rialeegenskaberne væsentligt, hvis fibrene havde været tilstrækkelig godt dispergeret.

Opfindelsen angår overhakkede armeringsfibre dannet ved opsplitning af strakte formstoffilm, hvilke armeringsfibre har modificerede overfladeegenskaber, der letter deres inkorporering og dispersion i en 30 bindemiddelmatrix og forøger kompatibiliteten mellem matrixen og fibrene. Armeringsfibrene ifølge opfindelsen er ejendommelige ved, at de som følge af coronabehandling af formstoffilmen har en overfladespænding i området fra ca. 40 dyn/cm til omkring vands overfladespænding.

DK 155801 B

2

Medens fibrenes overfladespænding fortrinsvis er i området 40 - 50 dyn/cm, når den bindemiddelmatrix, der skal armeres, er organisk, er overfladespændingen fortrinsvis omkring vands overfladespænding, typisk 70 - 75 dyn/cm, især 72 - 74 dyn/cm, når bindemiddelmatrixen 5 er uorganisk. At fiberens overfladespænding er omkring eller mindst vands overfladespænding kan hensigtsmæssigt bestemmes ved følgende "dispersionstest": Ved en temperatur på 20°C og en relativ fugtighed på 65% dispergeres 1,5 g fiber ifølge opfindelsen på mellem 2 og 35 dtex og med en længde mellem 6 og 24 mm let (ved omrøring 34 gange 10 med en glasspatel) til 100%'s dispersion i 500 ml destilleret vand, når deres overfladespænding er omkring vands overfladespænding. At fibrene dispergeres til 100%'s dispersion betyder, at fibrene fordeles fuldstændig i vandet og ikke hænger sammen (undtagen hvis de skulle være mekanisk filtret til hinanden på grund af fibriller på fiberkan-15 terne), i modsætning til en mangelfuld dispersion, hvor fibrene hænger sammen i konglomerater eller klumper.

Det har vist sig, at når forstærkningsfibre af formstof har en overfladespænding på omkring vands overfladespænding, bliver det for første gang muligt at indblande og fuldstændigt og ensartet disper-20 gere formstoffibrene i tilstrækkelig store mængder i opslæmninger af uorganisk bindemiddel af vand såsom Portland cement og vand, så at alle fibrene i det færdige afvandede produkt bliver omgivet af matrix-materialet og derved bliver virkelig effektive som armering. Medens hidtidige forsøg på at inkorporere formstoffibre i en ren cementblan-25 ding typisk har ført til materialer, der kun indeholdt ca. 1 vægtprocent eller mindre af formstoffibrene, kan fibrene ifølge opfindelsen med deres høje overfladespænding inkorporeres og dispergeres ensartet i industriel målestok i en mængde på op til mellem 4 og 5 vægtprocent, hvilket fører til et kompositmateriale, hvor brudstyrken og 30 -tøjningen dikteres af fibrene og ikke af det sprøde matrixmateriale.

Foruden deres enestående dispergerbarhed i cementslam viser fibrene ifølge opfindelsen med en høj overfladespænding en usædvanlig affinitet til fine cementpartikler. Når f.eks. polypropylenfibre af den nedenfor beskrevne type og med en overfladespænding omkring vands 35 overfladespænding først er blevet bragt i kontakt med cementpartikler

DK 155801 B

3 i en opslæmning, fastholder de cementpartikler på deres overflade i en sådan grad, at de ikke kan vaskes fri for cement ved skylning med vand.

En særlig nyttig type armeringsfibre er polyolefinfibre, der er frem-5 stillet ved at strække en polyolefinfilm, fortrinsvis en polypropylen-film, i et forhold på mindst 1:15 til opnåelse af en filmtykkelse på 10 - 60y og fibrillering af det strakte materiale ved hjælp af en roterende nåle- eller knivvalse til dannelse af fiberfilamenter på fra ca. 2 til ca 35 dtex. Ved denne metode, som er beskrevet i dansk patentan- 10 søgning nr. 1924/78, kan der fås et fibermateriale, som har en træk- 2 styrke på mindst 4000 kp/cm , et elasticitetsmodul på mindst 10000 2 N/mm og en brudforlængelse på højst 8%, og som har ru kanter, hvorfra der rager mange fibriller ud. Disse polyolefinfibre har enestående fordele som armeringsfibre i en uorganisk bindemiddelmatrix.

15 Fibrene ifølge opfindelsen er fortrinsvis polyolefinfibre, især polypro-pylenfibre, af den type, der er beskrevet i den ovennævnte patentansøgning, da disse fibre har egenskaber, der gør dem ideelle til at blive effektivt forankret i f.eks. en cementmatrix og til at samvirke med matrixen til forstærkning af denne.

20 Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til fremstilling af overhakkede armeringsfibre ved opsplitning af en strakt formstoffilm, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at filmen underkastes en corona-behandling, hvorefter den strakte film fibrilleres til dannelse af fibre, hvorefter fibrene overhakkes, idet omfanget af coronabehandlingen 25 afpasses således, at fibrene får en overfladespænding i området fra 40 dyn/cm omkring vands overfladespænding.

Coronabehandling af formstoffilm er en kendt behandling, der udføres ved at påføre højfrekvent elektrisk strøm gennem en elektrisk leder, f.eks. en tynd ståltråd, som er anbragt i en afstand på f.eks. 1-3 30 mm over det bevægende bånd af formstoffilm, så at der fås en kraftig udladning over filmens bredde. I den kendte teknik er en sådan behandling blevet anvendt til at gøre filmen modtagelig for en senere påføring af trykfarver eller klæbestoffer og i forbindelse med film,

DK 155801 B

4 der skulle underkastes mekanisk fibrilleringsbehandling og anvendes i filtre.

Coronabehandlingens virkning i den foreliggende forbindelse er af ikke-makroskopisk karakter; det formodes, at effekten først og frem-5 mest skyldes en spaltning af polymermolekyler i filmoverfladen til små molekyler, så at der fås nogle "åbne ender", og dels en ændring i filmoverfladens elektriske ladningsforhold.

Virkningen af en coronabehandling af en formstoffilm måles hensigtsmæssigt ved at bestemme overfladespændingen i henhold til standard-10 metoder. F.eks. er følgende metode blevet anvendt til bestemmelse af overfladespændingen af strakte polypropylenfilm, der har været underkastet coronabehandling: Ved en stuetemperatur på 20°C og en relativ fugtighed på 65%, påføres filmen glycerol ved hjælp af en Vatpind, således at der dannes en tynd væskefilm, og væskefilmens 15 opførsel iagttages. Hvis væskefilmen forbliver sammenhængende i ca.

2-3 sekunder og derefter brydes i mindre dele, er formstoffilmens overfladespænding identisk med glycerolets overfladespænding og er derfor ca. 64 dyn/cm.

Når armeringsfibrene skal inkorporeres i en organisk matrix, f.eks.

20 kit, foretrækkes det at udføre coronabehandlingen i mindre kraftigt omfang, således at der fås en overfladespænding på ca. 40 - 50 dyn/cm. Når den matrix, i hvilken forstærkningsfibrene skal inkorporeres, er en uorganisk matrix fremstillet ud fra et vandigt slam, foretrækkes det at udføre coronabehandlingen under mere kraftige 25 betingelser til opnåelse af en høj overfladespænding. Reguleringen af coronabehandlingens intensitet er indlysende for fagmanden, og eksempler på intensive coronabehandlinger fremgår af udførelseseksemplerne.

Polyolefinfibre af den type, der er beskrevet i den ovennævnte dan-30 ske patentansøgning nr. 1924/78, fremstilles ved at udsætte en po-lyolefinfilm, f.eks. en polypropylenfilm, for strækning og derefter underkaste filmen mekanisk fibrillering til dannelse af lange fibre, som derefter enten hakkes i ønskede længder eller spoles op som

DK 155801 B

5 filamentbånd. Der udføres fortrinsvis en varmebehandling (varme-stabilisering) af den strakte film før fibrilleringen.

Coronabehandlingen kan udføres ved hjælp af et udstyr af den art, som allerede benyttes ved den konventionelle anvendelse af corona-5 behandlingen, men om nødvendigt modificeret for at give den nødvendige effekt til opnåelse af de høje værdier for overfladespænding, som tilsigtes ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Et velegnet apparatur til industriel anvendelse er beskrevet i udførelseseksemplerne. I stedet for de metalstangelektroder, der anvendes i det i 10 eksemplerne beskrevne udstyr, kan elektroderne også være trådelektroder eller en hvilken som helst egnet form for elektroder, forudsat at de strækker sig over den fulde bredde af det materiale, som skal behandles. Der kan herunder være tale om elektroder, som har et tværsnit som et cylinderudsnit, således at de er tæt tilpasset 15 til en del af den valseoverflade, over hvilken det materiale, der skal behandles, transporteres. Antallet af elektroder kan vælges fra 1 op til en serie efter hinanden følgende elektroder, afhængigt af de bestemte betingelser, der skal etableres i det enkelte tilfælde.

Inkorporeringen af fibrene ifølge opfindelsen i en matrix kan udføres 20 ved en hvilken som helst af de kendte metoder til inkorporering af armeringsfibre, og der vil blive opnået en lettere inkorporering og en mere ensartet dispersion. Ved fremstillingen af bygningsprodukter af lignende type som asbestcementprodukter inkorporeres fibrene ifølge opfindelsen fortrinsvis i et slam, der i forvejen har været udsat for 25 en behandling under høj forskydning af samme art som beskrevet i eksempel 6.

Opfindelsen belyses nærmere ved følgende eksempler, hvor udtrykket "en dispersion i vand på 100%" betegner en fuldstændig dispersion af 1,5 g af fibrene i 500 ml destilleret vand i den ovenfor beskrevne 30 test.

DK 155801B

6 EKSEMPEL 1

Den anvendte polymer er polypropylen GWE 23 fra I Cl med et smelte-index på 3 g/10 minutter målt i henhold til DIN MFI 230/2.16.

I et gængs apparatur til extrusion/strækning extruderes polypropy-5 lenet til en biæst rørformet film ved en extrudertemperatur på 180 - 220°C, og den rørformede film afkøles med køleluft ved 18 - 20°C og skæres op i to filmbånd. Fra den trækstation, som følger efter extruderen, føres filmen gennem en varmluftovn med en lufttemperatur på 180°C og en lufthastighed på 25 m/sekund. Ved 10 anvendelse af en højere valsehastighed i den strækstation, der følger efter varmluftovnen, strækkes filmen i et forhold på 1:23. Derefter varmestabiliseres filmen ved, at den føres gennem en varmluftovn med en lufttemperatur på 180°C og en lufthastighed på 25 m/sekund, idet filmhastigheden er ca. 90 m/minut.

15 Filmens tykkelse er derefter ca. 20μ.

Efter strækningen og varmestabi liseri ngen underkastes filmen en coronabehandling under anvendelse af 12000 Watt Vetaphona udstyr: generator T 12000 AX, eksterntransformator TH 12025 for 3 x 380 volt, 50 HZ, idet der anvendes et valse/elektrodesystem TW 4000 20 EN/SP. Udstyret omfatter fire valser, nemlig to, på hvilke filmen passerer over valserne og på oversiden behandles fra metalstangelektroder, som er anbragt over valserne, og derefter to valser, under hvilke filmen passerer og behandles fra metalstangelektroder anbragt under valserne. Afstanden mellem filmen og elektroderne er ca.

25 1-3 mm.

Efter coronabehandlingen er filmens overfladespænding blevet forøget til 64,3 dyn/cm, bestemt ved måling på en prøve af filmen.

Filmen fibrilleres til dannelse af fibre på 2 - 30 dtex ved hjælp af en Reifenhåuser FI-S-0800-03-01 fibrillator med 13 nåle pr. centimeter i 30 to på hinanden følgende forsatte nålerækker, der er anbragt med samme afstand som afstanden mellem to nåle. Fibrilieringsforholdet

DK 155801 B

7 (forholdet mellem filmfremføringshastigheden og fibrillatorvalsens omkredshastighed) er 1:3. Derefter skæres fibrene i længder på 6, 12, 18 og 24 mm i en stabelskærer.

Trækstyrken af de på denne måde fremstillede fibre er 5,9 cN/dtex, 2 5 brudforlængelsen er 5%, og elasticitetsmodulet (1%) er 12000 N/mm .

EKSEMPEL 2

Den anvendte polymer er GSE16 fra ICI med et smelteindex på 0,8 g/10 minutter målt i henhold til DIN MFI 230/2.16.

I et standardanlæg til extrusion og strækning extruderes polypro-10 pylenet til en blæst rørformet film ved en extrudertemperatur på 180 - 230°C, og den rørformede film afkøles med køleluft ved 18 - 20°C.

Fra den trækstation, der følger efter extruderen, føres filmen gennem en varmluftovn med en lufttemperatur på 180°C og en lufthastighed på 15 25 m/sekund. Ved anvendelse af en højere valsehastighed i den strækstation, der følger efter varmluftovnen, strækkes filmen i et forhold på 1:20,3. Derefter føres filmen gennem en varmluftovn ved en lufttemperatur på 220°C og en lufthastighed på 25 m/sekund, medens den samtidig strækkes i et forhold på 1:1,16 ved, at der 20 holdes en højere valsehastighed i den trækstation, der følger efter varmluftovnen. Det samlede strækforhold, der opnås ved de to strækningsbehandlinger, er 1:23,6.

Filmens tykkelse er derefter 20y.

Efter strækningen og varmestabiliseringen underkastes filmen en 25 coronabehandling på samme måde som beskrevet i eksempel 1. Efter coronabehandlingen er filmens overfladespænding blevet forøget til 64,3 dyn/cm, bestemt ved måling på en prøve af filmen.

DK 155801 B

8

Filmen fibrilleres derefter på samme måde som beskrevet i eksempel 1. Derefter skæres fibrene i længder på 6, 12, 18 og 24 mm i en stabelskærer.

Trækstyrken af de på denne måde fremstillede fibre er 5,9 cN/dtex, o 5 brudforlængelsen er 5%, og elasticitetsmodulet (1%) er 12000 N/mm .

EKSEMPEL 3

Der gås frem på samme måde som beskrevet i eksempel 1 bortset fra, at strækningsforholdet er 1:17 i stedet for 1:23.

Trækstyrken af de på denne måde fremstillede fibre er 5,3 cN/dtex, 2 10 brudforlængelsen er 6%, og elasticitetsmodulet er 13800 N/mm .

EKSEMPEL 4

Fiberarmerede cementplader med en tykkelse på 6 mm fremstilles under anvendelse af på den ene side coronabehandlede 12 mm poly-propylenfibre fremstillet i overensstemmelse med eksempel 3 og på den 15 anden side polypropylenfibre fremstillet på nøjagtig samme måde som beskrevet i eksempel 3, men uden coronabehandlingen.

Pladerne fremstilles på følgende måde: Portland cement (hurtigt hærdende), 0,15 vægtprocent Methocell 228 (methylcellulose fra Dow Chemical), 3,4 vægtprocent papircellulosemasse og 6,1 vægtprocent 20 Rockwool fibre (mineralfibre med en diameter på ca. 5y og en længde på ca. 0,1 - 5 mm) samt vand til et vand/faststofforhold på 18:1 sammenblandes under moderat omrøring, og der resulterende slam føres derefter 5 gange gennem en emulsor "Alexanderwerke" med en stator/rotor-afstand på 0,4 mm, der roterer med op til 3000 omdrej-25 ninger pr. minut. Til det således behandlede slam sættes 4,5 vægtprocent af de 12 mm lange polypropylenfibre, og der blandes yderligere i 1,5 minutter i en blander af rystetypen: "Tintorama". Det resulterende slam støbes i et papirarkdannelsesapparat af laboratorie-

DK 155801 B

9 type og afvandes ved sugning og forkomprimering. Prøvepladerne komprimeres derefter i 18 timer ved 10 kp/cm , hvorpå de opbevares i 4 dage i en fugtig atmosfære og i 9 dage ved normal laboratorieat-mosfære. Pladerne er således klar til afprøvning efter 2 ugers forløb.

5 De resulterende plader har en armering på 7 rumfangsprocent af polypropylenfibrene. Cellulosefibrene (4 rumfangsprocent) og Rock-wool fibrene (3 rumfangsprocent) tjener overvejende som bærefibre i fremstillingstrinnene.

Efter hærdningen udskæres der af hver plade 4 bøjningsprøvelegemer 10 og 6 slagprøvelegemer, og bøjningsprøvelegemerne forsynes med elektriske "strain gauges" midt på begge flader for optegning af materialets bøjningsarbejdskurver.

Resultaterne fremgår af følgende tabel, som angiver: = materialets rumvægt på prøvningstidspunktet,

15 = materialets rumvægt efter tørring i varmeskab ved 105°C

= bøjningsstyrken (brudmodul) sj? = brudtøjningen i trykzonen, w stu = brudtøjningen i trækzonen, E = elasticitetsmodulet 20 S = slagstyrken.

Værdierne for σ, ε, og E er gennemsnit af 4 prøver, og værdierne for S er gennemsnit af 6 prøver. Tallene i parantes i tabellen angiver spredningen (variationscoefficienten i procent af middelværdien).

Claims (6)

1. Overhakkede armeringsfibre dannet ved opsplitning af strakte formstoffilm, kendetegnet ved, at de som følge af coronabehandling af formstoffilmen har en overfladespænding i området fra 40 dyn/cm til 25 omkring vands overfladespænding. DK 155801 B

2. Armeringsfibre ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de har en overfladespænding på 40-75 dyn/cm.

3. Armeringsfibre ifølge krav 2, 5 kendetegnet ved, at de har en overfladespænding på 70-75 dyn/cm, især 72-74 dyn/cm.

4. Armeringsfibre ifølge krav 2, kendetegnet ved, at de har en overfladespænding på 40-50 dyn/cm.

5. Armeringsfibre ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de er fibre af strakt polyolefin.

5 Zf 1,67(1%) 1,68(3%) Zt 1,52(0,2%) 1,51(2%) ojj, kp/cm2 232(3%) 216(7%) su, % 0,32(11%). 0,36(11%) C ε“, % 1,38(6%) 1,36(17%)

10 E 105 kP/cm2 1,84(2%) 1,75(6%) S, kpcm/cm2 15,9(15%) 12,0(23%) Det fremgår af tabellen, at der er opnået forbedringer i materialets styrke- og elasticitetsegenskaber ved anvendelse af de coronabehandlede fibre (forbedring i bøjningsstyrke ca. 7%, i elasticitetsmodul 15 ca. 5% og i slagstyrke ca. 13%). Derudover viser resultaterne imidlertid også, at spredningen i materialeegenskaberne er blevet drastisk reduceret, hvilket viser, at der er opnået et bedre materiale med meget mere ensartet dispersion af fibrene i slutproduktet ved anvendelse af de coronabehandlede fibre.

20 PATENTKRAV

6. Fremgangsmåde til fremstilling af overhakkede armeringsfibre ifølge krav 1-5 ved opsplitning af en strakt formstoffilm, kendetegnet ved, at formstoff ilmen underkastes en coro-15 nabehandling, hvorefter den strakte film fibrilleres til dannelse af fibre, hvorefter fibrene overhakkes, idet omfanget af coronabehand-lingen afpasses således, at fibrene får en overfladespænding i området fra 40 dyn/cm til omkring vands overfladespænding. 1 Fremgangsmåde ifølge krav 6, til fremstilling af armeringsfibre af 20 polyolefin, kendetegnet ved, at man strækker en polyolefinfilm, coro-nabehandler filmen, fibrillerer den coronabehandlede film, og derefter overhakker fibrene.