DE10111218A1

DE10111218A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz

Info

Publication number: DE10111218A1
Application number: DE10111218A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Sakai; Rikio Yonaiyama
Original assignee: Chisso Corp
Current assignee: JNC Corp
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2002-09-19
Also published as: US20020125603A1; US6763869B2

Abstract

Diese Erfindung beschreibt eine Streck-Extrusionsvorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die mit langen Fasern verstärkt sind, worin der vertikale Winkel (Öffnungswinkel alpha) einer stromaufwärtigen konischen Oberfläche eines konischen Bereiches, der eine Formdüse bildet, die die stromabwärtige Endwand der Vorrichtung durchdringt, im Bereich von 15 bis 35 DEG liegt und die Formdüse einen Anschlussbereich mit einer Länge von 1 bis 5 mm in dem stromabwärtigen Bereich nach der stromaufwärtigen konischen Oberfläche aufweist. Durch Verwendung dieser Vorrichtung tritt bei den langen Fasern kein Bruch und keine Flusenbildung während der Teilungsbehandlung auf, und dies führt demgemäß zu einer wesentlichen Verminderung der Pilling-Wirkung. Als Ergebnis kann die Teilungs-Imprägniervorrichtung, die zumindest mit der stromabwärtigen Endwand, die die Formdüse einschließlich dem Anschlussbereich trägt, versehen ist, stabil und kontinuierlich über lange Zeit ohne irgendwelche Probleme, wie sie bei Stand der Technik erhalten werden, betrieben werden.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz oder einer thermoplastischen Harzstruktur, die mit eindimensional ausgerichteten langen Fasern verstärkt sind, indem kontinuierliche Verstärkungsfaserbündel mit einem geschmolzenen thermoplastischen Harz imprägniert sind.

Genauer ausgedrückt betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die durch die Verwendung einer Formdüse mit einer spezifischen Form gekennzeichnet ist und nicht nur die Inhibition von Pilling aufgrund von Faserbruch, sondern ebenfalls die sehr stabile Produktion der Sektionen ermöglicht.

Es wurde bereits eine Vielzahl von Verfahren (oder Vorrichtungen) zum zufriedenstellenden Imprägnieren von Verstärkungsfaserbündeln mit einem geschmolzenen Harz vorgeschlagen, wie solche, die zum Beispiel in der japanischen geprüften Patentveröffentlichung Sho 63-37694 offenbart sind. Diese Verfahren ermöglichen die Herstellung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die eine ausgezeichnete Imprägnierfähigkeit aufweisen.

Jedoch haben die Erfinder dieser Erfindung diese Verfahren intensiv untersucht und festgestellt, dass sie im Hinblick auf folgenden Punkt verbessert werden sollten.

Bei den Fasern tritt ein Faserbruch auf, wenn die Vorrichtung für eine lange Zeit arbeitet und dies führt somit zu dem Pilling. Somit gebildete Pillings verstopfen die Formdüse der Vorrichtung, wobei dies zu einem weiteren Faserbruch führt, so dass die Sektionen kontinuierlicher Länge schließlich brechen. Somit muss der Betrieb der Vorrichtung unterbrochen werden.

Demgemäss ist es ein Ziel dieser Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die mit langen Fasern verstärkt sind, anzugeben, die die genannten verschiedenen Probleme des Standes der Technik lösen kann und ein Mittel zur Verhinderung zur Bildung von jeglichem Pilling angeben kann, das bei Formdüsen häufig beobachtet wird, die am stromabwärtigen Ende einer Öffnungs-Imprägnier-Vorrichtung bzw. einer Teilungs- und Imprägnier-Vorrichtung angeordnet sind, selbst wenn diese für eine lange Zeit in Betrieb genommen sind.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die mit langen Fasern verstärkt sind, anzugeben, die somit eine stabile Produktion solcher Sektionen kontinuierlicher Länge über lange Zeit erlauben kann.

Die Erfinder dieser Erfindung haben verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um die genannten Probleme des Standes der Technik zu lösen, und haben festgestellt, dass die Verwendung einer Formdüse mit einer spezifischen Konfiguration für die Lösung der Probleme nützlich ist und haben somit die Erfindung vollendet.

Gemäß dieser Erfindung können gewünschte Wirkungen durch folgende Merkmale in jeglicher Kombination erzielt werden:

1. Streck-Extrusionsvorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die mit langen Fasern verstärkt sind, worin der vertikale Winkel (Öffnungswinkel α) einer stromaufwärtigen konischen Oberfläche, die eine Formdüse bildet, die die stromabwärtige Endwand der Vorrichtung durchdringt, im Bereich von 15 bis 35 Grad liegt und die Formdüse einen Anschlussbereich mit einer Länge von 1 bis 5 mm in dem stromabwärtigen Bereich nach der stromaufwärtigen konischen Oberfläche aufweist.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Punkt 1), worin der Öffnungswinkel (α) der stromaufwärtigen konischen Oberfläche, die die Formdüse ausmacht, im Bereich von 20 bis 30 Grad ist.
3. Vorrichtung nach einem der genannten Punkte 1) oder 2), worin die Formdüse eine Dicke an der zentralen Achse, die sich von dem stromaufwärtigen Ende zum stromabwärtigen Ende der stromabwärtigen Endwand der Streck-Extrusionsvorrichtung erstreckt, im Bereich von 5 bis 35 mm liegt.
4. Vorrichtung nach einem der Punkte 1) bis 3), worin die Formdüse eine Dicke an der zentralen Achse, die sich von dem stromaufwärtigen Ende zum stromabwärtigen Ende der stromabwärtigen Endwand der Vorrichtung erstreckt, im Bereich von 15 bis 30 mm hat.

Diese Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert, worin bedeuten:

Fig. 1(A) einen Längsschnitt, der schematisch eine Teilungs- Imprägniervorrichtung zeigt, die als strukturelles Element eine stromabwärtige Endwand mit einer Formdüse darin entsprechend dieser Erfindung umfasst; und

Fig. 1(B) ein teilweise vergrößerter Längsschnitt, der schematisch nur den Bereich zeigt, der mit einer Öffnung zum Einführen von langen Faserbündeln versehen ist, die in einer oberen Seite an der stromabwärtigen Seite gebildet ist;

Fig. 2 ein vergrößerter Längsschnitt, der schematisch eine Formdüse gemäß dieser Erfindung zeigt;

Fig. 3 ein Längsschnitt, der schematisch eine Formdüse entsprechend Vergleichsbeispiel zeigt. Bei dieser Düse ist die Länge des Anschlussbereiches auf einen Wert eingestellt, der deutlich höher ist als er erfindungsgemäß beansprucht wird;

Fig. 4 ein Längsschnitt, der schematisch eine Formdüse entsprechend Vergleichsbeispiel 2 zeigt. Bei dieser Düse wird der Oberflächenwinkel der konischen Oberfläche auf einen Wert eingestellt, der wesentlich größer ist als der Wert der Erfindung.

Nachfolgend werden detailliert die badartige Teilungs- und Imprägniervorrichtung (manchmal mit "Streck- Extrusionsvorrichtung" bezeichnet) und mehr spezifisch die Formdüse entsprechend dieser Erfindung erläutert, die mit der Streck-Extrusionsvorrichtung verbunden ist, wobei auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen wird. Diese Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezifischen Merkmale beschränkt.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ist Fig. 1 ein Diagramm, das zur Erläuterung dieser Erfindung und der konventionellen Technik dient; Fig. 2 ist ein Diagramm, das zur Erläuterung eines bevorzugten Merkmals (Beispiels) dieser Erfindung verwendet wird; und die Fig. 3 und 4 sind Diagramme, die ähnliche Merkmale erläutern, aber ausserhalb des erfindungsgemäßen Bereiches liegen (Vergleichsbeispiele).

Das bevorzugte Merkmal gemäß Fig. 1 als schematischer Längsschnitt ist eine Teilungs- und Imprägniervorrichtung V (ebenfalls mit "Streck-Extrusionsvorrichtung" bezeichnet) zur Herstellung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die mit langen Fasern verstärkt sind. Unter Bezugnahme auf Fig. 1(A) umfasst die Teilungs- und Imprägniervorrichtung (V; manchmal mit Teilungs- und Imprägnierbad oder Imprägnierbad bezeichnet) hauptsächlich eine linke Seitenwand (nicht gezeigt) und eine rechte Seitenwand (nicht gezeigt), die derart positioniert sind, dass sie ein Langfaserbündel F (Langfaser-Roving) in Sandwich-Anordnung einschließen, das entlang der Bewegungsrichtung davon geöffnet bzw. geteilt werden soll, eine stromaufwärtige Endwand Vu, die das Imprägnierbad V definiert und an dem stromaufwärtigen Ende des Bades positioniert ist, eine stromabwärtige Endwand Vd, die das Imprägnierbad V zusammen mit der stromaufwärtigen Endwand Vu definiert und an dem stromabwärtigen Ende des Bades positioniert ist, eine Bodenplatte Vb, die in engem Kontakt mit den rechten und linken Seitenwänden und den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Endwänden an deren Kanten steht und eine obere Platte (Dach) Vt, die zu der Bodenplatte Vb gegenüberliegend angeordnet ist und mit allen vorgenannten Wänden an deren oberen Kanten in engem Kontakt steht.

Zusätzlich zu dem oben Gesagten ist das Imprägnierbad V mit zumindest einer und bevorzugt zumindest drei Öffnungswalzen R (die entweder im Leerlauf sein können oder angetrieben sind) oder bevorzugt nicht weniger als 3 Paar (fixiert: nicht rotierbar) Öffnungsstäben P versehen (alle werden manchmal generisch mit "installierte Körper RP für die Öffnung" bezeichnet), die bei einem Niveau installiert sind, bei dem sie in ein geschmolzenes Harz derart eingetaucht sind, dass sie die Seitenwände im Inneren des Bades und eine konisch gemachte Formdüse 1 entsprechend dieser Erfindung, die sich durch die stromabwärtige Endwand Vd erstreckt, verbinden können.

Die Formdüse 1 gemäß dieser Erfindung ist eine, um die Sektionen S kontinuierlicher Länge mit Langfaser verstärktem Harz in dem Teilungs-Imprägnierbad V in einer gewünschten Querschnittsform anzuordnen, wenn die Sektionen kontinuierlicher Länge aus dem Bad herausgezogen werden. In diesem Zusammenhang kann die "Formdüse" gleichermassen mit "Formöffnung" bezeichnet werden, aber die Düse wird in dieser Erfindung als "Formdüse" bezeichnet.

Fig. 1(B) ist ein Diagramm des stromaufwärtigen Endbereiches, das ein anderes Merkmal einer Teilungs-Imprägniervorrichtung V zeigt, die mit der Formdüse 1 dieser Erfindung versehen ist. Bei diesem Merkmal wird ein langes Faserbündel F in die Teilungs-Imprägniervorrichtung V von der oberen linken Richtung zur schräg abwärtigen Richtung durch die Öffnung Vtf zum Einführen des zu teilenden langen Faserbündels eingeführt, die sich durch die obere Platte der Vorrichtung V erstreckt, das lange Faserbündel wird in ein geschmolzenes Harz eingeführt, dann wird das Bündel mit einer Umlenkeinrichtung T (eine Umlenkwalze Tr oder eine Umlenkstange Tp) von der linken unteren Seite davon in Kontakt gebracht, dann wird das Bündel von der Umlenkeinrichtung T an einem Punkt freigesetzt, bei dem das Bündel bis zu einer ungefähr horizontalen Richtung ungelenkt ist, und das Bündel bewegt sich zu der Öffnungswalze R oder dem Öffnungsstab P. Diese Umlenkeinrichtung dient nicht zur Teilung des Langfaserbündels, sondern einfach als Mittel zum Umlenken oder zur Änderung der Bewegungsrichtung des Langfaserbündels F.

Fig. 2 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der schematisch eine Formdüse 1 entsprechend dieser Erfindung zeigt. In Fig. 2 umfasst die Formdüse 1 einen konischen Bereich 11, der sich durch die stromabwärtige Endwand Vd derart erstreckt, dass er in Richtung zur stromabwärtigen Richtung und einem Anschlussbereich 12 verengt ist, der mit dem stromabwärtigen Ende des konischen Bereiches verbunden ist. Die Wandoberfläche 11i, die der Formdüse 1 entspricht, die von der stromaufwärtigen Seite davon gesehen wird, ist im allgemeinen eine konische Oberfläche, die die Zentralachse X der Formdüse 1 umgibt, kann aber gleichermaßen eine elliptische konische Oberfläche oder dergleichen sein (die innere Wandfläche ist auf der Zeichnung im allgemeinen nicht sichtbar). Beide geraden Linien 11m, die zu der stromabwärtigen Seite der Figuren konvergieren, die den Längsschnitt der stromabwärtigen Endwand Vd gemäß den Figuren, einschließlich Fig. 2 zeigen, erzeugen Linien, die auf der inneren Oberfläche des konischen Bereiches positioniert sind.

In der Formdüse 1 gemäß dieser Erfindung ist es meistens ausreichend, dass der Öffnungswinkel (α, der Intersektionswinkel der genannten beiden geraden Linien 11m), der durch die innere Oberfläche 11i des konischen Bereiches 11 gebildet wird, im allgemeinen im Bereich von 15 bis 35 Grad und bevorzugt von 20 bis 30 Grad liegt. Das stromabwärtige Ende dieses konischen Bereiches 11 ist mit dem Anschlussbereich 12 verbunden, und dieser Anschlussbereich 12 ist im allgemeinen durch eine zylindrische Oberfläche gebildet. Es ist gleichermassen meistens ausreichend, dass die Länge des Anschlussbereiches 12 (Anschlusslänge) üblicherweise im Bereich von 1 bis 5 mm und bevorzugt 1 bis 3 mm liegt und der Innendurchmesser des Anschlussbereiches wird praktisch auf 1,8 bis 4,2 mm, bevorzugt 2 bis 3,5 mm eingestellt.

Erfindungsgemäß ist die Dicke der stromabwärtigen Endwand Vd, durch die sich die Formdüse 1 der Erfindung erstreckt, ebenfalls ein wichtiger Faktor und die Dicke liegt im allgemeinen im Bereich von 5 bis 35 mm und bevorzugt 10 bis 30 mm.

Beschreibung des Betriebs der Teilungs-Imprägnier- Vorrichtung V

Bei der Teilungs-Imprägniervorrichtung V (ebenfalls mit "Streck-Extrusionsvorrichtung" oder "Imprägnierbad" bezeichnet) gemäß Fig. 1, durch die sich die Formdüse 1 dieser Erfindung, wie in Fig. 2 gezeigt, erstreckt, wird ein Langfaser-Roving F in die Teilungs-Imprägniervorrichtung V durch eine Öffnung Vuf zum Einführen von Langfaserbündeln, die an der linken Seite der Figur gezeigt istn dieser Beschreibung bedeuten die Ausdrücke "obere und untere", "links und rechts", "vorderer und hinterer", "lngitudinal und lteral" oder dergleichen lediglich Ausdrücke zur Vereinfachung) oder durch eine Öffnung Vt zum Einführen von Langfaserbündeln an der oberen linken Seite der Figuren eingeführt. Auf der anderen Seite wird ein geschmolzenes Harz in die Vorrichtung V durch einen Zuführmechanismus für geschmolzenes Harz (nicht gezeigt), der mit einem Einführbereich Vi für geschmolzenes Harz verbunden ist, der sich im allgemeinen durch die Bodenplatte Vb der Bodenplatte erstreckt, durch die genannte Öffnung Vi eingeführt, und das geschmolzene Harz wird bei einem vorbestimmten Niveau gehalten.

Einführöffnung Vi für geschmolzenes Harz

Das geschmolzene Harz wird in das Teilungs-Imprägnierbad V durch die Zuführöffnung Vi für geschmolzenes Harz zugeführt, die mit dem genannten Imprägnierbad verbunden ist. Diese Einführöffnung Vi für geschmolzenes Harz erstreckt sich im allgemeinen durch zumindest eine von der oberen Platte Vt, der Bodenplatte Vb und der stromaufwärtigen Endwand Vu des Imprägnierbades (Vorrichtung) V.

Öffnung Vf zum Einführen von Langfaserbündeln, die geteilt werden sollen

Das Faserbündel F (Langfaserbündel), das geteilt werden soll, wird in das Teilungs-Imprägnierbad V durch die Einführöffnung Vf für das Langfaserbündel (generischer Name) eingeführt, wie oben diskutiert wurde. Diese Einführöffnung Vf für das Langfaserbündel erstreckt sich durch zumindest einen Teil, ausgewählt aus der stromaufwärtigen Endwand Vu und der oberen Platte Vt des Teilungs-Imprägnierbades V. Die Form der Einführöffnung Vf für das Langfaserbündel wird in Abhängigkeit von der Stelle, durch die sich die Öffnung erstreckt, ausgewählt. Wenn zum Beispiel das Langfaserbündel F (Langfaser-Rovings) in das Bad V durch die Einführöffnung Vuf für Langfaserbündel, die sich durch die stromaufwärtige Endwand Vu des Bades erstreckt, eingeführt wird, ist es ausreichend, der Öffnung Vuf die Querschnittsform der Öffnung per se zu verleihen oder eine schlitzartige Form anzuwenden, die der Querschnittsform einer Vielzahl von Faserbündeln angepasst ist, die in einer Reihe angeordnet sind, wie die Querschnittsform der Einführungsöffnung Vuf.

Auf der anderen Seite wird das Langfaserbündel F in das Bad V durch die Einführöffnugn Vtf für das Langfaserbündel eingeführt, die durch den stromaufwärtigen Bereich der oberen Platte Vt des Imprägnierbades V gebildet ist, wobei die Form der Einführöffnung Vtf nicht auf irgendeine besondere Querschnittsform oder die Querschnittsform des Langfaserbündels beschränkt ist, und kann willkürlich ausgewählt werden. Mehr spezifisch kann die Einführöffnung Vtf nicht nur eine Form aufweisen, die identisch zu der Form der Einführöffnung Vuf für das Langfaserbündel ist, die durch die stromaufwärtige Endwand Vu gebildet ist, sondern ebenfalls andere verschiedene Formen wie eine einfache kreisförmige Form oder eine rechteckige oder quadratische Form aufweisen, weil nicht befürchtet wird, dass irgendein geschmolzenes Harz aus dem Bad durch die Einführöffnung Vtf herausdringen kann.

Teilungs-Imprägnierbad und Einstellung der Temperatur davon

Das genannte "Teilungs-Imprägnierbad" V ist ein Bearbeitungsbad, das zum Lagern einer vorbestimmten Menge des geschmolzenen Harzes, während das Harz zum Fließen gebracht wird, und zum Imprägnieren der Faser mit dem geschmolzenen Harz oder zum Eindringenlassen des geschmolzenen Harzes in die Zwischenräume zwischen die Fasern verwendet wird, und es ist im allgemeinen ausreichend, als Bad V eine boxartige Form zu verwenden. Jedoch ist es wichtig, dass das Teilungs- Imprägnierbad V zumindest mit einem Erwärmungsmechanismus (nicht gezeigt) auf der rechten oder linken Wandseite VsLR und an der Bodenplatte Vb des Bades anzubringen. Die Verwendung eines solchen Erwärmungsmechanismus ist bevorzugt, weil die Vorrichtung so ausgestattet sein kann, dass das Basisharz, das lange (kontinuierliche) Faserbündel F, das geteilt und mit dem Harz imprägniert wird, oder dergleichen auf eine Temperatur erwärmt werden können, die ausreichend höher ist als der Schmelzpunkt der Basisharzkristalle, der unten angegeben ist, oder bei einem solchen gewünschten Temperaturniveau gehalten werden kann. Der Ausdruck "ausreichend hohe Temperatur" bedeutet hierin eine Temperatur, die üblicherweise um 10 bis 150°C, bevorzugt 30 bis 120°C höher ist als der Schmelzpunkt der verwendeten Harzkristalle. Daher sollte der genannte Erwärmungsmechanismus eine Fähigkeit haben, die Temperatur des Harzes und des Langfaserbündels F oder dergleichen in dem Imprägnierbad V auf eine solche ausreichend hohe Temperatur zu bringen und eine Fähigkeit aufweisen, eine solche Temperatur zu halten. In dieser Hinsicht bedeutet, wenn das Basisharz eine Kombination von zumindest zwei thermoplastischen Harzen ist, der Ausdruck "ausreichend hohe Temperatur" eine Temperatur, die üblicherweise um 10 bis 150°C, bevorzugt 30 bis 120°C höher ist als der Schmelzpunkt der Harzkristalle mit dem maximalen Schmelzpunkt, aber wenn der Schmelzpunkt in Abhängigkeit von der Kombination vermindert ist, ist die genannte ausreichend hohe Temperatur auf der Basis des neuen Schmelzpunktes definiert oder daraufhin berechnet.

Der Ausdruck "Schmelzpunkt (Tm) der Harzkristalle" bedeutet hierin eine Temperatur, bei der ein Peak in der Beziehung zwischen der Temperatur und der Fusionswärme oder der Temperaturwärme der Fusionskurve, bestimmt bei einer Erwärmungsrate einer Probe von 20°C pro Minute bei der Bestimmung der Fusionswärme unter Verwendung eines Differentialkalorimeters (DSC) vorhanden ist. In dieser Hinsicht wird, wenn eine Vielzahl von Peaks bei der Beziehung von Temperatur und Fusionswärme beobachtet wird, der Kristallschmelzpunkt (Tm) als eine Temperatur definiert, bei der ein Peak vorhanden ist, der eine Maximalfläche besetzt.

Ein Langfaserbündel (Roving) F, das in die Teilungs- Imprägniervorrichtung V von der stromaufwärtigen Seite eingeführt wird, wird einer Teilung durch zumindest drei installierte Körper RP (generischer Name für "Teilungswalzen" und "Teilungsstäbe") unterworfen, die in der Vorrichtung ungefähr vertikal zu der Bewegungsrichtung des geschmolzenen Harzes installiert sind, und die resultierenden geöffneten Fasermaterialien (zumindest ein Material, ausgewählt aus Einzelelementen und dünnen Ansammlungen davon) werden gleichzeitig mit dem geschmolzenen Harz imprägniert (Teilungs-Imprägnierung). In diesem Fall werden die Teilungsverfahren grob in zwei Gruppen klassifiziert.

Bei dem ersten Teilungsverfahren werden Teilungswalzen R im allgemeinen als die zumindest drei installierten Körper zur Teilung verwendet, diese sind rotierbar (angetrieben oder im Leerlauf) in Serien entlang der Bewegungsrichtung des geschmolzenen Harzes angeordnet, das Langfaserbündel F wird in die Teilungs-Imprägniervorrichtung V eingeführt und der Teilungsbehandlung entsprechend dem sogenannten Zick-Zack- Kontakt unterworfen, bei dem das Bündel F wiederholt mit der Umgebungsoberfläche einer jeden Öffnungswalze R über eine vorbestimmte Länge in Kontakt gelangt.

Bei dem zweiten Teilungsverfahren werden Paare von Teilungsstäben P (eine Kombination von oberen Teilungsstäben Pu und unteren Teilungsstäben Pd), üblicherweise nicht weniger als drei Paare als installierte Körper zur Teilung jeweils paarweise so installiert, dass sie ungefähr senkrecht zu der Fließrichtung des geschmolzenen Harzes vorliegen und die Langfaser-Rovens F vertikal in Sandwich-Anordnung umgeben, während sie miteinander nicht in Kontakt gelangen, wobei diese gepaarten Teilungsstäbe in Serie von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite bei Intervallen mit vorbestimmter Entfernung angeordnet sind, wobei die Langfaser-Rovings F, die in die Vorrichtung V eingeführt sind, ungefähr linear durch den Raum zwischen den oberen Teilungsstäben Pu und den unteren Teilungsstäben Pd auf sogenannte Nicht-Kontaktweise gelangen, bei der die Langfaser-Rovings F weder mit den oberen Teilungsstäben Pu noch den unteren Teilungsstäben Pd in Kontakt gelangen, so dass die Langfaser-Rovens geteilt werden. In dieser Hinsicht werden drei Paare dieser Teilungsstäbe üblicherweise innerhalb einer ungefähr horizontalen Ebene entlang der Bewegungsrichtung des geschmolzenen Harzes angeordnet.

Bei einem praktischen Teilungsvorgang werden die Langfaser- Rovings F einem Teilungsvorgang entsprechend einem der genannten Teilungsverfahren unterworfen, und bei dem Imprägniervorgang, der gleichzeitig mit oder etwas nach dem Teilungsvorgang durchgeführt wird, dringt das geschmolzene Harz in Lücken unter den Fibrillen ein und jedes geteilte faserige Material und das zuletzt genannte, das mit dem Harz imprägniert ist, wird extern durch die Formdüse 1 aus der Teilungs-Imprägniervorrichtung V entlang der stromabwärtigen Richtung nach aussen gezogen, während das faserige Material zusammen mit dem geschmolzenen Harz durch die Formdüse 1 abgequetscht wird, unter Erhalt von Sektionen S kontinuierlicher Länge mit Langfaserverstärkung (Stränge oder Stäbe), die mit thermoplastischem Harz imprägniert sind.

Wenn die Sektionen kontinuierlicher Länge mit Langfaserverstärkung, die mit dem thermoplastischen Harz imprägniert sind, durch die konventionelle Formdüse 2 oder 3 gezogen werden, erfolgt eine Pilling-Bildung in der Nähe des Auslasses der stromabwärtigen Endwand Vd. Dieses Pilling wird als beflockte Faserfragmente von "zerstreutem Haar" angesehen, das als Ergebnis des folgenden Phänomens gebildet ist: Lange Fasern, die durch die Teilungsbehandlung aufbrechen, werden beim Durchleiten durch die Formdüse 1 stark gequetscht, wobei die aufgebrochenen Fasern von dem Langfaser-Roving aufgrund der Gegenwirkung der Abquetschwirkung der Düse entfernt werden, wodurch Flusen gebildet werden, wobei diese Flusen wiederholt nach aussen gebogen werden, wenn sie durch die Formdüse 1 gezogen und aus dem Zusammenbau herausgelassen werden.

Merkmale, die den Vergleichsbeispielen 1 und 2 entsprechen

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 (Vergleichsbeispiel 1) gibt es eine Formdüse 2, bei der der Öffnungswinkel (α) der konischen Oberfläche 21, die von der stromaufwärtigen Seite der Düse gesehen ist, auf einen Wert eingestellt ist, der identisch ist zu dem gemäß dieser Erfindung, und die Länge des Anschlussbereiches 22, der mit der stromabwärtigen Seite der Formdüse 2 verbunden ist, wird auf einen Wert im Bereich von 6 bis 10 mm eingestellt, der länger ist als der erfindungsgemäße Bereich von 1 bis 5 mm. Bei der Teilungs- Imprägnierung unter Verwendung dieser Formdüse 2, werden Pillingeffekte ziemlich häufig in einem solchen Ausmass verursacht, dass ein beständiger Vorgang der Vorrichtung inhibiert wird, wobei die Pilling-Effekte aufgrund des Faserbruchs der Sektionen S kontinuierlicher Länge aus Langfaser verstärktem Harz (Langfaser verstärkte Stränge) und Flusenbildung davon gebildet werden.

In Fig. 4 (Vergleichsbeispiel 2) ist die Länge des Anschlussbereiches 32 der Formdüse 3 identisch zu dem erfindungsgemäßen Bereich, aber der Öffnungswinkel (α) der konischen Oberfläche 31, die von der stromaufwärtigen Seite der Düse gesehen ist, wird auf einen Wert von 45° eingestellt, was deutlich höher ist als der erfindungsgemäße Bereich von 15 bis 35°. Beim Betrieb der Teilungs- Imprägniervorrichtung V, mit der die Formdüse 3 verbunden ist, werden der Faserbruch und die Flusenbildung des Langfaserbündels F, das in die Vorrichtung V eingeführt wird, nicht in einem solchen Ausmass verursacht, dass der stabile Betrieb der Vorrichtung inhibiert wird, aber die Häufigkeit des Auftretens davon und die Stärke eines solchen Phänomens sind ziemlich hoch oder ernsthaft, so dass die Qualität des schließlich erhaltenen Produkte vermindert wird.

Hilfsausrüstungen

Ein Extruder wird im allgemeinen als Mechanismus (nicht gezeigt) zum Zuführen des nicht geschmolzenen Harzes zu der Teilungs-Imprägniervorrichtung V verwendet. Verschiedene Extruderarten können verwendet werden und Beispiele davon umfassen einen Einzelschraubenextruder und einen Doppelschraubenextruder. Beispiele von Doppelschraubenextrudern umfassen weiterhin solche, bei denen sich die Schrauben in der gleichen Richtung oder in verschiedenen Richtungen drehen, ebenso wie solche, die Schrauben mit gleicher oder unterschiedlicher Länge umfassen, die entsprechend dem Zweck angemessen ausgewählt werden.

Verschiedene Ausrüstungsarten wie eine Kühlinstallation und/oder Schlichtedüse kann mit der Teilungs- Imprägniervorrichtung V an der stromabwärtigen Seite der Formdüse 1 verbunden werden, die durch die stromabwärtige Endwand Vd der Vorrichtung gebildet ist. Die Kühlinstallation ist mit der Vorrichtung zum Kühlen der extrudierten, verstärkten Stränge (Stangen) verbunden, während die Schlichtedüse daran gebunden ist, um die Form zu verbessern, wie die Unrundheit der Sektionen S mit kontinuierlicher Länge aus verstärktem Harz (verstärkte Stränge; verstärkte Stäbe). Darüber hinaus kann ein Pellitisiergerät (Granuliermechanismus) oder dergleichen gleichermassen mit der Teilungs-Imprägniervorrichtung V verbunden sein, um somit die Sektionen kontinuierlicher Länge (der Durchmesser davon liegt üblicherweise im Bereich von 1 bis 4 mm) in Stücke mit einer durchschnittlichen Länge von 3 bis 50 mm zu schneiden und um granulare Stücke (Pellets) zu erhalten.

Langfaser-Verstärkungsmaterial F

Beispiele von Langfaser-Verstärkungsmaterialien (Langfaserverstärkungen), die allgemein hergestellt werden und als Verstärkungsmaterialien für Basisharze verkauft werden, umfassen anorganische Fasern wie Glasfasern, Kohlenstofffasern, Metallfasern und geschmolzene Quarzfasern und organische Fasern wie synthetische Harzfasern. Alle diese Langfaser-Verstärkungsmaterialien F können bevorzugt erfindungsgemäß verwendet werden, solange sie in der Form von im wesentlichen endlosen langen Fasern vorliegen. In dieser Hinsicht ist jedoch das praktisch zugefügte Verstärkungsmaterial nicht eine einzelne Faser sondern ist im allgemeinen ein Roving, der durch Zusammenbau einer Vielzahl von Einzelfasern ohne Verdrehen und Anhaften dieser aneinander in einem angemessenen Ausmaß gebildet ist, unter Erhalt eines Bündels oder Rovings. Es wird erwartet, dass dieser Roving in individuelle Einzelfasern bei dem Teilungsverfahren in einem möglichst hohen Maß geteilt wird.

Die durch die Teilung des Rovings erhaltenen, geteilten Langfaserbündel F werden bevorzugt in einem Basisharzmaterial (Matrix) möglichst gleichmässig dispergiert. Zusätzlich dazu werden, wenn geteilte lange faserige Materialien in einem langen und engen Material wie verstärkte Stränge oder verstärkte Stäbe S eingeschlossen sind, die faserigen Materialien bevorzugt möglichst parallel zueinander im Hinblick auf die Richtung entlang der Längsachse davon (Maschinenrichtung) angeordnet.

Materialien für die Langfaserverstärkung

Irgendeine Art von Langfaser-Verstärkungsmaterial F kann als Material für die Herstellung der Sektion 5 kontinuierlicher Länge mit Langfaserverstärkung gemäß dieser Erfindung verwendet werden. Diese Materialien können grob in anorganische und organische klassifiziert werden. Die praktischsten anorganischen Materialien sind beispielsweise Glas (Silicatglas), Quarz, natürlich auftretende Mineralien, Metalle und Kohlenstoff. In diesem Zusammenhang bedeutet der hierin verwendete Ausdruck Glas feste Lösungen, die hauptsächlich Metallsilikatsalze umfassen, und spezifische Beispiele davon sind Sodaglas, Pottascheglas und wärmeresistentes Glas wie Borsilicatglas. Unter verschiedenen Arten von Glasmaterialien sind Glas vom Kaliumsilikat-Typ (Pottascheglas) und Borsilikatglas (ebenfalls mit E-Glas bezeichnet) bevorzugt.

Das Glas ist ein sehr breit verwendetes Verstärkungsmaterial unter den Langfaser-Verstärkungsmaterialien im Hinblick auf die ausgezeichneten Zugeigenschaften, Biegeeigenschaften, thermischen Eigenschaften und der geringen Kosten, aber die Verwendung davon ist auf das Gebiet beschränkt, bei dem ein leichtes Gewicht und Resistenz gegenüber Alkalien erforderlich ist.

Glasfaser-Verstärkungsmaterial FG

Es können Glasrovings wie kontinuierliches Glasfaserbündel F aufgelistet werden, das ein repräsentatives Beispiel des Langfaser-Verstärkungsmaterials (langes Glasfaserbündel) ist, das allgemein hergestellt und als Verstärkung für das basische Harz verkauft wird. Dieser Glasroving hat im allgemeinen einen Faserdurchmesser im Bereich von 4 bis 30 µm, eine Anzahl der verbundenen Filamente im Bereich von 400 bis 10000 und eine Texzahl von 300 bis 20000 g/km und hat bevorzugt einen durchschnittlichen Faserdurchmesser im Bereich von 9 bis 23 µm und eine Zahl der verbundenen Filamente im Bereich von 1000 bis 6000. Bevorzugt wird die Oberfläche des Langfaser-Verstärkungsmaterials zum Beispiel mit einem Silankupplungsmittel behandelt, das als Bearbeitungsmittel dient und eine Fähigkeit aufweist, die Grenzflächenadhäsion im Hinblick auf die Verstärkungswirkung für das Basisharz zu verleihen oder zu verbessern.

Verstärkungsmaterial FP aus organischer Faser

Kohlenstofffasern FC können mit dem genannten Glasfaser- Verstärkungsmaterial FG ersetzt werden, weil dieses ein ausgezeichnetes leichtes Gewicht und eine Resistenz gegenüber Alkalien hat. Jedoch ist der Preis der Kohlenstofffasern FC nicht vergleichbar mit dem der Glasfasern und daher sind die Anwendungen für Kohlenstofffasern FC auf solche Gebiete wie Luftfahrzeuge und Rennautos oder Sportprodukte beschränkt, bei denen das leichte Gewicht und die Stärke anderen Faktoren wie der Preis vorgehen.

Organische Materialien umfassen hauptsächlich synthetische Harze, die grob in wärmehärtende und thermoplastische Harze unterteilt werden.

Unter diesen haben die Langfasern von wärmehärtenden Harzen als Materialien für Verstärkungsmaterialien F eine ziemlich hohe Wärmeresistenz und jedes thermoplastische Harz kann nicht mit den wärmehärtenden Harzen in dieser Hinsicht verglichen werden, aber die zuletzt genannten sind bezüglich den zuerst genannten im Hinblick auf die Formeigenschaften schlechter. Unter diesen thermoplastischen Harzen sind solche mit einer hohen Kristallinität und einem hohen Schmelzpunkt als Langfaser-Verstärkungsmaterialien sehr vorteilhaft. In dieser Hinsicht ist es selbstverständlich, dass dann, wenn ein thermoplastisches Harz als Verstärkungsmaterial FP verwendet wird, dieses einen Schmelzpunkt aufweisen sollte, der deutlich höher ist als der des Basisharzes und üblicherweise zumindest 50°C höher und bevorzugt zumindest 70°C höher als der Schmelzpunkt des Basisharzes.

Ein solches thermoplastisches Harz mit einer hohen Kristallinität und hohem Schmelzpunkt kann zum Beispiel eine Vielzahl von Polyamidharzen oder Polyesterharzen sein wie solche mit einem Schmelzpunkt von mehr als 200°C für solche Anwendungen, die eine hohe Wärmeresistenz erfordern. Spezifische Beispiele von Polyamidharzen sind Nylonarten, die durch Ringöffnungsadditionspolymerisation erhalten sind, wie Nylon-6, Nylon-7, Nylon-11 und Nylon-12; copoly-kondensierte Polyamidharze wie Nylon-6,6, Nylon-6,7, Nylon-6,10 und Nylon- 6,12; und in großem Umfang verwendete und speziell konstruierte Produkte wie 6-/6,6-co-kondensiertes Nylon.

Bei Anwendungen, die eine noch höhere Wärmeresistenz erfordern, können aromatische Polyamidharze, vollständig aromatische Polyamidharze (ebenfalls mit Aramidharzen bezeichnet) oder ähnliche verwendet werden. Typische Beispiele der zuerst genannten sind solche mit dem allgemeinen Namen "Nylon NXD6" oder Copolykondensate von m- Xylol mit Adipinsäure, und typische Beispiele der zuletzt genannten sind Copolykondensate von m-Xyloldiamin und Terephthalsäure. Einige der zu der zuletzt genannten Gruppe gehören, gibt es bereits auf dem Markt.

Zusätzlich sind die am meisten verwendeten Polyester (Harze) Copolykondensate von aliphatischen Diolen mit aromatischen Dicarbonsäuren, wobei Copolykondensate (Polyethylenterephthalat; mit "PET" abgekürzt) von Ethylenglycol (oder "Ethylenoxid") mit Terephthalsäure unter anderem bevorzugt sind.

Als Polyester mit einer noch höheren Wärmeresistenz können zum Beispiel Polykondensate ("Poly(1,4- butandiolterephthalat)"; mit PBT bezeichnet) erhalten unter Verwendung von 1,4-Butandiol anstelle von Ethylenglycol als aliphatisches Diol, aufgelistet werden. Polyesterharze mit einer besonders guten Wärmeresistenz sind zum Beispiel aromatische Polykondensate, bei denen die Diolkomponente ebenfalls ein aromatisches Diol ist (allgemeiner Name: "vollständig aromatischer Polyester") und einige von diesen werten als Materialien für kugelsichere Westen verwendet.

Basische Harze (Substrat; Matrix)

Die Harzmaterialien für die geschmolzenen Harze, die zum Imprägnieren der geteilten langfaserigen Materialien (Einzelfasern oder Produkte mit einem verhältnismässig geringen Teilungsgrad), die durch Teilung der Langfaserbündel (Rovings) erhalten sind, verwendet werden, sind nicht auf spezifische thermoplastische Harze beschränkt, solange sie einen kristallinen Schmelzpunkt im allgemeinen von 110 bis 350°C und bevorzugt von 150 bis 270°C aufweisen. Bei den üblichen Anwendungen ist es jedoch allgemein, als solches Harzmaterial, zumindest eines zu verwenden, ausgewählt aus kristallinen Harzen wie Polyolefinharzen, Polyamidharzen (Nylon) und Polyesterharzen oder eine Kombination von zumindest zwei von diesen. Wenn die Verwendung einer Kombination von zumindest zwei thermoplastischen Harzen verwendet wird, ist es bevorzugt, dass diese Harze ausreichend kompatibel miteinander sind.

Unter den genannten kristallinen thermoplastischen Harzen werden polyolefinische Harze PO in großem Umfang für die üblichen Anwendungen im Hinblick auf die Qualität und dem Preis davon verwendet. Der Ausdruck "Polyolefinharze PO", der hierin verwendet wird, umfasst kristalline Homopolymere oder kristalline Copolymere, umfassend α-Olefine mit im allgemeinen etwa 2 bis 10 Kohlenstoffatomen als Monomere, Zusammensetzungen (oder Mischungen), umfassend zumindest zwei kristalline Homopolymere, Zusammensetzungen (oder Mischungen), umfassend zumindest zwei kristalline Copolymere, und Zusammensetzungen (oder Mischungen), umfassend zumindest ein kristallines Homopolymer und zumindest ein kristallines Copolymer.

Der Ausdruck "α-Olefine mit dem im allgemeinen etwa 2 bis 10 Kohlenstoffatomen", die die genannten kristallinen Polyolefinharze ausmachen, umfassen zum Beispiel Ethylen, Propylen, 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 4-Methyl-1-penten, 1- Octen und 1-Decen, die im allgemeinen in den Harzen alleine oder in jeglicher Kombination verwendet werden können.

Unter den kristallinen Polyolefinen (allgemeiner Name von "Poly-α-olefinen") werden kristalline Polypropylenharze PP vom praktischen Standpunkt her am meisten verwendet. In diesem Zusammenhang sind Polyethylenharze bei Niedertemperaturanwendungen ziemlich bevorzugt, während Poly(4-methyl-1-penten)harze MPT bevorzugt bei Anwendungen verwendet werden, die eine hohe Wärmeresistenz erfordern. Zumindest zwei der genannten kristallinen Polyolefin-Harze können gegebenenfalls angemessen ausgewählt und miteinander kombiniert werden, unter Erhalt einer Harzzusammensetzung, die charakteristische Eigenschaften hierfür aufweist, die nicht durch irgendeines der einzelnen Harze erzielt werden können.

Das Basisharz, das die Sektionen S mit kontinuierlicher Länge aus elastischem Harz ausmacht, die mit Langfasern F verstärkt sind, kann irgendein thermoplastisches Harz sein, solange es eine Schmelzflussrate (MFR 230°C, 21,2 N) im Bereich von 30 bis 200 g/10 min und bevorzugt 50 bis 200 g/10 min aufweist.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, die genannten Polyamidharze NL (Nylon) oder thermoplastische Polyesterharze als Basisharze und zumindest eine Verbindung zu verwenden, ausgewählt aus wärmehärtenden Harzen oder Fasern aus anorganischen Substanzen wie Glasfasern FG (Silicatglasfasern), Asbestfasern, Quarzfasern, Kohlenstofffasern FC und Metallfasern als Langfaser- Verstärkungsmaterial F für Anwendungen einzusetzen, die eine noch höhere Wärmeresistenz erfordern.

Materialien und Oberflächenbearbeitung für die Formdüse 1 (Formdüse)

In der erfindungsgemäßen Formdüse 1 ist der Öffnungswinkel (α) der konischen Ebene 11 der Düse, von der stromaufwärtigen Seite davon gesehen, der Innendurchmesser des Anschlussbereiches 12, die Wandoberfläche oder dergleichen vermindert oder wird aufgrund der Friktion zwischen der Formdüse 1 und den sehr harten Fasern wie Glasfasern 11 über eine lange Zeitperiode abgerieben. Um den obigen Abrieb zu steuern ist es bevorzugt, dass das Material für die Formdüse 1 aus superharten Legierungen wie Eisen- Wolfram-Legierung (Warenname: Tungalloy) oder Eisen-Titan- Legierungen (Ferro-Titan) ausgewählt und dann einer Plattierbehandlung (Metallplattierbehandlung) mit einem Metall unterworfen wird, das einen Film mit einer ausgezeichneten Oberflächenhärte bilden kann wie Chrom oder Nickel, bevorzugtes elektrolytisches Plattieren (Elektro- Plattieren), um die Oberfläche glatter zu machen. Wenn es gewünscht ist, dass eine noch höhere Oberflächenhärte und Oberflächenglätte der Formdüse 1 verliehen werden soll, ist es bevorzugt, die Oberfläche z. B. durch elektrolytisches Polieren der Formdüse, die aus der genannten superharten Legierung oder dergleichen hergestellt ist, glatter zu machen.

Wie oben detailliert beschrieben ist, zeigen, wenn eine stromabwärtige Endwand, die mit der Formdüse mit einer spezifischen Form entsprechend dieser Erfindung versehen ist, in ein Teilungs-Imprägnierbad eingefügt und die Länge des Anschlussbereiches, der sich durch die stromabwärtige Endwand erstreckt, auf einen bestimmten Wert eingestellt wird, Langfasern keinerlei Bruch oder Flusenbildung aufgrund der Teilung, und dies führt demzufolge zu einer deutlichen Verminderung des Pilling-Effektes. Als Ergebnis kann die Teilungs-Imprägniervorrichtung, die mit der stromabwärtigen Endwand versehen ist, die die Formdüse (einschließlich dem Anschlussbereich) trägt, stabil und kontinuierlich über eine lange Zeit betrieben werden.

Claims

1. Streck-Extrusionsvorrichtung zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus thermoplastischem Harz, die mit langen Fasern verstärkt sind, umfassend eine Formdüse mit einem konischen Bereich, der mit einem zuylindrischen Anschlussbereich nach dem stromaufwärtigen konischen Bereich verbunden ist, wobei die Düse zumindest mit einer stromabwärtigen Endwand verbund ist, die einen Öffnungswinkel (α) einer stromaufwärtigen konischen Oberfläche des stromaufwärtigen Bereiches im Bereich von 15 bis 35 Grad hat und die Länge des Anschlussbereiches im Bereich von 1 bis 5 mm liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Öffnungswinkel (α ) der stromaufwärtigen konischen Oberfläche des konischen Bereiches im Bereich von 20 bis 30 Grad liegt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Länge der Formdüse an der zentralen Achse, die sich von dem stromaufwärtigen Ende zum stromabwärtigen Ende der Düse erstreckt, im Bereich von 5 bis 35 mm liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Länge der Formdüse im Bereich von 15 bis 30 mm liegt.

5. Verfahren zur Herstellung verstärkter Sektionen mit kontinuierlicher Länge aus thermoplastischen Harzen, die mit Langfaserverstärkungen verstärkt sind, mit Hilfe der Streck- Extrusionsvorrichtung, wie in Anspruch 1 definiert, und die eine Formdüse umfasst, die an der stromabwärtigen Endwand vorgesehen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, umfassend die Bewegung eines kontinuierlichen Faserbündels von der stromaufwärtigen Seite in Richtung zur stromabwärtigen Seite unter Zug von der stromabwärtigen Seite, während es geteilt und bei einer Temperatur, die um 10 bis 150°C höher ist als der Schmelzpunkt der Substratharze, in einer geschmolzenen Phase davon eingetaucht wird.

7. Verfahren zur Erzeugung von Sektionen kontinuierlicher Länge aus verstärktem Harz unter Anwendung der Streck- Extrusionsvorrichtung gemäß Anspruch 1.