FI95010C - Menetelmä kuituvahvisteisen kestomuovipolymeeriprofiilin valmistamiseksi sekä menetelmässä käytettävä suulake - Google Patents

Description

95010

Menetelmä kuivuvahvisteisen kestomuovipolymeeriprofiilin valmistamiseksi sekä menetelmässä käytettävä suulake 5 Keksinnön kohteena on menetelmä jatkuvilla pitkillä kuiduilla vahvistettujen kesto-muoviprofiilien valmistamiseksi pultruusiota eli suulakevetoa käyttäen. Menetelmässä ennen kestomuovihartsilla imeytettyjen kuitukimppujen, ns. rovingien, muotoilua rovingit puristetaan yhteen niin, että muodostuu levy, jossa rovingien kuituihin on imeytynyt kestomuovihartsia sulassa tilassa. Levy muodostuu siten, että rovingit, 10 sen jälkeen kun ne on impregnoitu kestomuovihartsilla, pannaan kulkemaan kuumennettavaan litteään suorakulmaiseen suulakkeeseen, jossa ne puristuvat ja sula hartsi tunkeutuu kuitujen väleihin. Menetelmä soveltuu yleisesti kestomuovipolymeereille, mutta sen avulla voidaan myös valmistaa uudenlaisia jatkuvilla pitkillä kuiduilla vahvistettuja polyvinyylikloridiprofiileja.

15

Kestomuovihartsiprofiilien valmistus pultruusiota käyttäen on yleisesti tunnettu menetelmä. Tavallisesti rovingit imeytetään hartsilla ja saatetaan irtotilassa esim. kuumalla ilmalla tai infrasäteillä lämmitettävään tunneliin, jossa lämpötila on tarpeeksi korkea, jotta polymeeri sulaa. Tunnelista poistuvat hartsipäällysteiset rovingit kul-20 keutuvat kuumennettavaan laitteeseen, jossa valmistettavan tuotteen lopullinen muoto saavutetaan. Tuote jäähdytetään laitteesta ulostulon jälkeen. Menetelmässä on huomattava ongelma: kuinka saadaan kestomuovihartsit sulamaan ja jakautumaan homogeenisesti rovingien ytimessä.

25 Roving on usean jatkuvan kuidun kimppu. Pultruusiosssa imeytetään joukko rovin-geja, ne saatetaan kuumennettuun tunneliin irtotilassa, ne yhdistyvät toisiinsa ja muodostavat paksumpia kuitusäiekimppuja. Säteilykuumennuksessa kestomuovihartsi ei sula kimpun ytimessä hyvin ja kuitujen impregnoituminen vaikeutuu. Imeytymisen epätasaisuus ja sen seurauksena impregnoitumattomien kuitujen väliin jäävä ilma 30 heikentävät lopullisen tuotteen mekaanisia ominaisuuksia. Ilmiöiden vaikutukset ovat sitä huomattavampia mitä useampia rovingeja käytetään ja mitä pitempi lopullinen profiili on.

Tällaista menetelmää käytettäessä ei myöskään voida valmistaa jäykkiä pitkillä jat-35 kuvilla kuiduilla vahvistettuja polyvinyylikloridiprofiileja polyvinyy liki ori din ominaisuuksien vuoksi. Menetelmän olosuhteissa polyvinyylikloridia, varsinkaan jos se ei sisällä pehmitinainetta, on mahdotonta saada jähmettymään vain lämpötilaa kohottamalla ilman että tapahtuu lämpöhajoamista. Nykyään käytetään sekoittimia, joissa 95010 2 jähmettymisen kannalta välttämätön aine leikkautuu. Tässä tunnetussa menetelmässä matriisin epätäydellinen jähmettyminen aiheuttaa virheitä vahvikekuitujen pinnoituksessa ja tuloksena on huonolaatuisia profiileja eli muotokappaleita tai kuidut saattavat jopa katkeilla profiilin vetämisen aikana.

5

Keksinnön mukaista menetelmää käyttäen voidaan pultruusiota käyttäen muotoilla kuitukimppuja, joissa käytännöllisesti katsoen kaikki kuidut on impregnoitu kesto-muovihartsilla sen jälkeen, kun kuitujen välistä on poistettu ilmaa niin paljon kuin on mahdollista. Keksintönä on menetelmä pitkillä jatkuvilla kuiduilla vahvistetun kes-10 tomuovipolymeeriprofiilin valmistamiseksi, jossa menetelmässä pultruusiotekniikkaa käyttäen impregnoidaan kuitukimppuja kestomuovihartsilla, impregnoidut kimput saatetaan kuumennettavaan yksikköön, jossa kestomuovihartsi sulaa, ja kimput muotoillaan kuumina profiiliksi suulakkeessa, jossa profiili saa lopullisen muotonsa ennen kuin se saatetaan toiseen, jäähdyttävään suulakkeeseen. Menetelmälle on tun-15 nusomaista se, että impregnoituja kimppuja puristetaan kuumennettavassa yksikössä, jossa on litteä suulake, jonka sisääntuloaukko on tarpeeksi suuri, jotta impregnoidut kimput mahtuvat siitä, ja jossa suulakkeessa on rako, jonka kokoa voidaan säädellä ja jonka avulla levyn muotoon puristuva impregnoitujen kimppujen kokonaisuus saadaan minimipaksuuteensa, ja että mainitusta raosta poistuvat, levyksi puristetut kim-20 put johdetaan sen jälkeen muotoilusuulakkeeseen profiiliksi muotoilua varten.

Keksinnön kohteena on myös litteä suulake, jota käytetään pultruusiotekniikalla pitkiin jatkuviin kuitukimppuihin imeytetyn kestomuovihartsin sulattamiseen ennen kimppujen muotoilua profiiliksi. Suulakkeille on tunnusomaista se, että siinä on suo-25 rakulmainen rako, jonka kokoa voidaan säädellä ja joka on poistovyöhykkeellä selvästi suorakulmainen särmiö, ja että suulakkeen kaltevan sisääntulovyöhykkeen ja vaakasuoran raon välinen kulma on 1-20°.

Liitteenä olevasta piirustuksesta nähdään keksinnön mukaisen menetelmän yksityis-30 kohtia.

Piirustuksessa kuvio 1 esittää impregnoituja kuitukimppuja, kuvio 2 esittää menetelmässä käytettävää suulaketta, ja 35 kuvio 3 esittää leikkauksena levyn muotoon puristettuja kuitukimppuja.

95010 3

Kuviossa 1 nähdään kimppu rovingeja R, jotka itse muodostuvat useammasta yhdistetystä kuidusta F ja jotka on ennen yhdistämistään kimpuiksi imeytetty kestomuo-vihartsilla.

5 Kimput saatetaan kuvion 2 suulakkeeseen avartuvasta tulokohdasta 1, ne vedetään rakoon 2, jonka paksuutta voidaan vaihdella, ja puristetaan siellä. Suuttimesta lähtevä levy 3, joka muodostuu sulaneella kestomuovihartsilla imeytetyistä kuiduista, johdetaan kohti tunnettua ja jo mainittua muotoilulaitetta. Kuviosta 3 nähdään, että levy, joka on tullut litteästä suulakkeesta, jonka rako on selvästi suorakulmainen, muodos-10 tuu yhteen puristuneista rovingeista, jotka ovat tiiviisti kiinni toisissaan ja joissa kui dut on impregnoitu kestomuovihartsilla. Imeytyminen on tasaista puristamisen ansiosta, se lisää toisaalta lämmönvaihtopintaa ja sen avulla saadaan poistetuksi mahdollisimman tarkkaan ilma, jota rovingien sisällä ja niitten liittymäkohdissa on. Rako on poistovyöhykkeellä selvästi suorakulmainen särmiö.

15

Yhtymiskulma a, joka näkyy kuviossa 2, kalteva sisääntulovyöhyke ulkopuolen ja suulakkeen vaakasuoran rako-osan välillä, saa pinnalla olevan polymeerin sulamaan asteittain; polymeeri toimii myös voiteluaineena.

20 Tulovyöhykkeen pituutta ja yhtymiskulman suuruutta voidaan vaihdella käytettyjen polymeerien ja sisään syötettävien ennalta imeytettyjen rovingien paksuuden mukaan. Erityisen sopivia tuntuvat olevan pituus 35-50 mm ja kulman suuruus 1-20°.

Suulakkeen pituuden tulee olla sellainen, että lämpötila, joka ei saa olla niin korkea, 25 että kestomuovipolymeeri hajoaa, on riittävä, että levyn ytimessä oleva kestomuovi-polymeeri on suulakkeesta poistuessaan sulassa tilassa.

Suulakkeen raon paksuutta voidaan säädellä, niin että voidaan toteuttaa eri paksuisia levyjä, paksumpia tai ohuempia profiileja. Säätely voidaan toteuttaa millä tahansa 30 menetelmällä, jolla raon kokoa voidaan muutella, esimerkiksi sopivat jokin ruuvisys-teemi tai jouset, joiden avulla suulakkeen vastakkaisia seinämiä voidaan siirtää lähemmäs toisiaan tai kauemmas toisistaan.

Keksinnössä rovingit impregnoidaan tunnetuin menetelmin, esimerkiksi saattamalla 35 rovingit leijupetiin, jossa on kestomuovipolymeeriä hienon jauheen muodossa. Ne voidaan päällystää ekstruoimalla ne läpi suorakulmaisen suulakkeen, jossa niihin tulee polymeeripinnoite tai ne voidaan päällystää polymeerilateksilla. Rovingit, kuten jo mainittiin, ovat useista kuiduista muodostuvia jatkuvia kuitukimppuja. Nämä ro- 95010 4 vingit voivat koostua epäorgaanisista tai orgaanisista kuiduista. Lasi-, hiili-ja arami-dikuidut ovat tavallisimpia muovien lujitekuituja. Impregnoidut kimpuiksi kootut rovingit saatetaan edellä kuvatun kaltaiseen suulakkeseen ja kuumennetaan, niin että polymeeri sulaa. Suulakkeesta ulos tuleva levy, joka pidetään edelleen lämpötilassa, 5 jossa polymeeri pysyy sulana, kulkeutuu muotoilusuulakkeeseen, jossa levy saa lopullisen toteutettavan profiilin muodon.

Toisessa suulakkeessa lämpötila on luonnollisesti sellainen, että polymeeri pysyy muotoilun kannalta tarpeeksi juoksevana. On kuitenkin mahdollista, varsinkin jos 10 toteutetaan monimutkaisia tai suurikokoisia profiileja, esimuotoilla levyä asteittain ennen lopullista muotoilua. Muotoilusuulakkeesta ulos tullessaan profiili kulkee läpi jäähdyttävän muotoilijan, jonka sisääntulokohta on muodoltaan selvästi samanlainen kuin muotoilusuulakkeen ulostulokohta. Profiili joutuu seuraavaksi vetopenkkiin, jossa se leikataan halutun mittaiseksi.

15

Keksinnön mukainen menetelmä on erityisen sopiva valmistettaessa pultruusiota eli suulakevetoa käyttäen pitkillä jatkuvilla kuidulla vahvistettuja kestomuovihartsiin pohjautuvia erimuotoisia umpi- tai onttoja profiileja. Erityisen suositeltavat kesto-muovihartsit voidaan valita polyolefiineistä: korkea- tai matalatiheyksinen tai mata-20 latiheyksinen lineaarinen polyeteeni tai polypropeeni eteenivinyyliasetaattikopoly-meerit; polystyreeni, akryylinitriilibutadieenistyreenikopolymeerit, polyvinyyliklori-di, polyamidit 6, 11,12, 6-6, 6-10, polyesterit, sekventiaalinen poly(eetteriamidi)ko-polymeeri, fluoratut polymeerit, polysulfoni, poly eetteri sulfoni, polykarbonaatti, lämpövakaat kestomuovipolymeerit, kuten polyeetterieetteriketoni, rikkipolyfenylee-25 ni, polyeetteri-imidi, polyfenyleenioksidi, polyfenyleenieetteri tai niiden seokset ja funktionaaliset reaktiiviset kestomuovioligomeerit, jotka saadaan polyadditiota tai polykondensaatiota käyttäen, läsnä mahdollisesti jotain mukana reagoivaa ainetta.

Keksinnön toisena tavoitteena on saada lajissaan uudenlainen tuote: pitkillä jatkuvilla 30 kuiduilla, erityisesti pitkillä lasikuiduilla, vahvistettu jäykkä jatkuva polyvinyyliklo-·· ridiprofiili. Lyhyet pitkillä kuiduilla vahvistetut polyvinyylikloridiprofiilit ovat tun nettuja, mutta edellä mainituista polyvinyylikloridin ominaisuuksista johtuen ei ole ollut mahdollista toteuttaa pitkiä muotokappaleita, joissa lujitekuitujen pituus olisi jatkuvana yhtä pitkä kuin profiili.

35

Keksinnön mukaisesti valmistetut profiilit ovat erittäin jäykkiä. Rengas-, nauha- tai sauvaprofiilien lisäksi voidaan leikata vaihtelevan pituisia kappaleita, joissa lujitekuitujen pituus on sama kuin sanotuilla kappaleilla. Leikatut kappaleet, kun ne on lt 95010 5 sulatettu, suulake-, ruisku- tai muottipuristetaan kuitujen lopullisen pituuden säilyttämiseksi. Tavoitteena on jäykkyyden, iskunkestävyyden, dimensionaalisen stabiliteetin lisääminen ja näitten ominaisuuksien säilyminen korkeissa lämpötiloissa.

5 Seuraavat esimerkit kuvaavat keksintöä rajoittamatta sitä.

Esimerkki 1

Lasikuiturovingit puretaan kelalta ja impregnoidaan sitten polyamidi 6 -jauheella (Orgasol 1002 D) leijupedissä.

10

Polymeeri sulatetaan litteässä suuttimessa. Lopullinen 10x4 mm:n profiili muotoillaan ensin esimuotoilusuulakkeessa, jossa lämpötila on 280°C, sitten jäähdytyssuu-lakkeessa, lämpötila 22°C.

15 Toteutuksessa käytettävän litteän sulattamiseen käytettävän suulakkeen koko on: - pituus: 300 mm - leveys: 100 mm - yhtymiskulma: 15° 20 - sisääntulovyöhykkeen pituus: 35 mm - rako: 1 mm - paksuus suuttimesta poistuttaessa: 0, 45 mm.

Esimuotoilu-ja jäähdytyssuuttimen yhtymiskulma on 20°, sisääntulovyöhyke 5 mm.

25 Profiilin valmistamisessa käytetään 24 rovingia, 2400 tex (Vetrotex R 099 5122 X

1). Jauheen avulla leijupedissä suoritettavan impregnoinnnin määrä pidetään vakiona 46 tilavuusprosentissa.

Ennen imeyttämistä lasikuiturovingin paksuus on noin 0,45 x 4,5 mm. Impregnoin-30 nin jälkeen roving on halkaisijaltaan noin 8-10 mm paksu kuitukimppu. Vetonopeus ·; ulostulossa 1 m/min.

Näin valmistettujen profiilien jäykkyys mitataan kolmen pisteen taipumislujuuden mittausmenetelmällä, normi ASTM D 790. Mitataan kimmomoduli E ja maksimi-35 jännitys σ.

6 95010

Vertailun vuoksi valmistetaan samanlainen profiili suoraa muotoilua käyttäen, polyamidi 6:11a impregnoidut rovingkimput saatetaan kuumailmatunneliin, josta poistuvien kimppujen sydämessä oleva hartsi on sulassa tilassa.

5 Sulaneella polyamidi 6:11a päällystetyt kuidut saatetaan muotoilusuuttimeen, lämpötila 280°C.

Ulos tuleva profiili vedetään jäähdytyssuuttimeen, lämpötila 22°C.

10 Tulokset olivat seuraavanlaiset:

Tilavuus-% Kimmomoduli Maksimijännitys lasia profiilissa E(GPa) σ (MPa) 15 Vertaileva koe 54 34 665

Keksinnön mukainen 54 37 1007

Esimerkki 2

Samanlaisissa laite- ja metelmäolosuhteissa kuin esimerkissä 1 valmistetaan jatku-20 villa pitkillä lasikuiduilla vahvistettua 10x4 mm:n profiilia.

Esimerkissä: - polyvinyylikloridijauheen hiukkasten keskimääräinen läpimitta on 100 pm 25 - impregnoidun polyvinyylikloridin määrä on 63,1 til.-%

- litteän suulakkeen lämpötila: 200°C

- muotoilusuulakkeen lämpötila: 190 °C

- jäähdytyssuulakkeen lämpötila: 15°C

30 •; Litteän sulatussuulakkeen mitat ovat: « - pituus: 200 mm - leveys: 100 mm 35 - yhtymiskulma: 1° - sisääntulovyöhykkeen pituus: 50 mm - rako: 1 mm - paksuus suuttimesta poistuttaessa: 0,45 mm.

95010 7

Vertailevassa kokeessa esimerkin 1 mukaisissa laiteolosuhteissa ei pystytty valmistamaan hyvää pitkäkuituista profiilia. Rovingkimppujen ytimessä jähmettyminen jää epätäydelliseksi.

5 Lämpötilan kohottaminen kuumailmatunnelissa saa aikaan lämpöhajoamista impregnoidun rovingkimpun ulkoreunoilla.

Näissä olosuhteissa lopullinen profiili on liian huokoinen ja mekaaniset ominaisuudet 10 ovat keskinkertaiset ja epätasaiset.

Keksinnön mukaisen profiilin ominaisuudet ovat laskuitujen tilavuusprosentin ollessa 36,9: 15 - kimmomoduli E (GPa): 25,2 - maksimijännitys σ (MPa) : 476.

Esimerkki 3

Samanlaisissa laite-ja menetelmäolosuhteissa kuin esimerkissä 1 valmistetaan 10x4 20 mm:n profiilia, käytetään polyamidi 11 :n esipolymeerijauhetta, moolimassa 4000.

Jauheen raekoko on 80 - 200 pm. Käytetään 18 rovingia R 099 P 103 (Vetrotex), 2400 tex.

25 Vetonopeus 0,5 m/min.

Esipolymeerin viskoosisuuden nousu tapahtuu in situ kuumennuksessa litteässä suulakkeessa, vesi poistetaan ennen muotoilusuutinta.

30 Esimerkissä: - impregnoidun polyamidi 11 :n määrä on 57,4 til.-%

- litteän suulakkeen lämpötila: 270°C

- muotoilusuulakkeen lämpötila: 240°C

- jäähdytyssuulakkeen lämpötila: 22°C

35 g 95010

Litteän sulatussuulakkeen mitat ovat: - pituus: 300 mm - leveys: 100 mm

5 - yhtymiskulma: 15°C

- sisääntulovyöhykkeen pituus: 35 mm - rako: 1 mm - paksuus suuttimesta poistuttaessa: 0,45 mm.

10 Profiilin ominaisuudet ovat lasikuitujen tilavuusprosentin ollessa 42,6: - kimmomoduli E (GPa) 26,0 - maksimijännitys σ (MPa): 450.

Claims (5)

9 95010

1. Menetelmä pitkillä jatkuvilla kuiduilla (F) vahvistetun kestomuovipolymeeri- profiilin (3) valmistamiseksi, jossa menetelmässä pultruusiotekniikkaa käyttäen impregnoidaan kuitukimppuja (R) kestomuovihartsilla, impregnoidut kimput saatetaan 5 kuumennettavaan yksikköön, jossa kestomuovihartsi sulaa, ja kimput muotoillaan kuumina profiiliksi suulakkeessa, jossa profiili saa lopullisen muotonsa ennen kuin se saatetaan toiseen, jäähdyttävään suulakkeeseen, tunnettu siitä, että impregnoituja kimppuja (R) puristetaan kuumennettavassa yksikössä, jossa on litteä suulake, jonka sisääntuloaukko (1) on tarpeeksi suuri, jotta impregnoidut kimput mahtuvat siitä, ja 10 jossa suulakkeessa on rako (2), jonka kokoa voidaan säädellä ja jonka avulla levyn (3) muotoon puristuva impregnoitujen kimppujen kokonaisuus saadaan minimipak-suuteensa, ja että mainitusta raosta poistuvat, levyksi puristetut kimput johdetaan sen jälkeen muotoilusuulakkeeseen profiiliksi muotoilua varten.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att spalten (2) i det rektan-gulära platta munstycket har en rektangulär parallellepipedisk form 1 utloppszonen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suorakulmai sen litteän puristussuulakkeen rako (2) on ulostulovyöhykkeellä muodoltaan suorakulmainen särmiö.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat av att vinkein mellan 15 pressmunstyckets lutande inloppszon (1) och dess platta horisontella spaltdel (2) är mellan 1 och 20°.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristus-20 suulakkeen kaltevan sisääntulovyöhykkeen (1) ja litteän vaakasuoran rako-osan (2) välinen kulma on 1-20°.

4. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1-3, kännetecknat av att de i knippena (R) ingäende oorganiska eller organiska fibrema (F) väljs ur gruppen som 20 bestär av glas-, kol- och aramidfibrer.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kimppujen (R) epäorgaaniset tai orgaaniset kuidut (F) valitaan ryhmästä, jonka muo- 25 dostavat lasi-, hiili-ja aramidikuidut.

5. Litteä suulake, jota käytetään pultruusiotekniikalla pitkiin jatkuviin kuitu-kimppuihin (R) imeytetyn kestomuovihartsin sulattamiseen ennen kimppujen muotoilua profiiliksi (3), tunnettu siitä, että suulakkeessa on suorakulmainen rako (2), 30 jonka kokoa voidaan säädellä ja joka on poistovyöhykkeellä selvästi suorakulmainen • särmiö, ja että suulakkeen kaltevan sisääntulovyöhykkeen (1) ja vaakasuoran raon (2) välinen kulma on 1-20°. 35 1. Förfarande för framställning av en med langa, sammanhängande fibrer (F) armerad profil (3) av termoplastpolymer, i vilket förfarande fiberknippen (R) im-pregneras med ett termoplastiskt harts med användande av profildragningsteknik, de impregnerade knippena transporteras tili en uppvärmd enhet, där det termoplastiska 10 95010 hartset smälter, och knippena varmformas till en profil i ett munstycke, där profilen far sin slutliga form, innan den förflyttas till ett andra munstycke för avkylning, kännetecknat av att de impregnerade fiberknippena (R) sammanpressas i den upp-värmda enheten, som omfattar ett platt munstycke, vars ingängsöppning (1) är till-5 räckligt stor för att de impregnerade knippena skall kunna passera genom densam- ma, och vilket munstycke har en spalt (2) med en reglerbar storlek far att minimera tjockleken hos helheten av de impregnerade knippen som pressas till skivform (3) och att de genom nämnda spalt utlöpande, till skivform pressade knippena därefter förflyttas till ett formningsmunstycke för omsättning till profilform. 10

5. Platt munstycke som användes för smältning av termoplastharts, med vilket knippen (R) av länga, sammanhängande fibrer impregnerats medelst profildrag-ningsteknik före omsättning av knippena tili profilform (3), kännetecknat av att 25 munstycket har en rektangulär spalt (2) med reglerbar tjocklek och en väsentligt rektangulär parallellepipedisk form i utloppszonen och att vinkein mellan munstyc-kets lutande inloppszonen (1) och dess horisontella spalt (2) ligger mellan 1-20°. Il