DE1813206A1 - Verfahren zur Herstellung verstaerkten thermoplastischen Materialien - Google Patents

Description

Imperial Chemical Industries Ltd,, .Goudöii_;. ärojR'br:i."annier..

Verfahren zxh; Herstellung von verstärkte::-. tLeriiiop

Materialien

.■:':-::Vorität: 7 ο Dezent 3r 1967

·;-: Jirf-mdung besieht aicfc. auf ein Verfahren aur l·. erste llung -ΐ'ίΐ'ΐκ.·, "oretarkte' syntliati-scaen thermO;.)ias'-;iL'Ci'εη tia\e-rialian -.■•lid ?i;f. ai¹:- he rgef.· eilten harten, verstärkt on. fiaterialioa.

e" L:;tärki;a thex'ino';.lixst:Lsc;bß Materialien werdon geviöim'J i r.'r,. d.;?.-(.-α·ί:5; /.ex-gsstall'j, daß s a Var-3tärknn.^3ir;i-tiirv.al. jjkL ein v.hermop.i if tischet: Wate?ial bei o-pio Ls-je iee yuf oli\o> '-:-"·:.· ί '.«.il ζ ο ran ahle ocler it·, einem Es^ruder ':.■ .üptadlev*: i-.-.^cl.. , vc-.c roS. 1-a£} WaLa-^l.'. (/.".τ Aa-; Extuudi.r;, i.ie i.-.i αϊο:ΐ3 vvc.*..·.;;, <;- i.Ut'J i.<3ii v;"tit'rteα ".u:<" er·; i.f_f'i .uv; son ->rarj.al.iei ze.-r-i;:· siiio.·: ■ νν.-Ή-,ν,. die lani, in-

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schließend zur Herstellung der gewünschten Gegsnstände verformt. werden_o Ein Nachteil eines Verfahrens dieser Art besteht darin* daß, wenn das'Verstärkungsmaterial eine Faserform aufwaist, clie Fasern während des Kompundierens und der Verarbeitung gebrochen werden und es somit nicht möglich ist_f Gegenstände herzustellen, die lange Fasern enthalten. Weiterhin ist der Mengenanfceil an Fasern^ der eingearbeitet werden kann«, bei diesem Komp-jndieriuagsverfahren beschränkt _f da die Anwesenheit der Fasern da.3 Vermögen des thermoplastischen Materials zum Fließen verringert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur: Herstellung von harten* faserverstärkt en \ synthetischen therm yplast?.-sehen organischen polymeren Materialien vorgeschlagen, vrelahes dadurch ausgeführt wird* daß man eine Fasenoaase, von der mi".:¹«- stens ein Seil aus Fasern besteht _f die mit einen :t.e:nriopla£itischen Material mit niedrigeren! Schmelzpunkt al3 d;.e Fasern beschichtet sind_ssofern die Fasern selbst thermoplastisch sind.. bei .einer Temperatur unterhalb des »Schmelzpunkts Her Fasern vnö. oberhalb des Schmelzpunkts des Beschichtu.ngsmater:.als oineui ausreichenden Druck .unterwirft, so daß das; Besc.b.i(ⁱ.b.T,uvi^smara·-- rial unter Bildung einer kontinuierlichem VkItI-I-X,; λο1ο'·λ3 .$!>} Fasern einschließt, fließt. ;

Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von harten.-. ve?'s;.;ärkt-.Tu Gegenständen können sowohl Stapelfasern als auch erAIetie j/äctoa

werden die Ausdrücke verwendet werden^ und somit /'Fasermasse" u:ad "Fasi.rn" &;ur £.0-

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Schreibung dieser beiden Materialtypen verwendet»

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Fasermasse kann vollständig aus beschichteten Fasern oder aus einem Gemisch aus beschichteten und unbeschichteten Fasern bestehen« Die unbeschichteten Fasern können aus dem niedriger schmelzenden _t matrixbildenden Material oder aus dem höherschmelzenden, verstärkenden Material bestehen» In jedem Falle muß ausreichend Belagmaterial anwesend sein, so daß es beim Fließen unter Druck die Verstärkungsfasern einschließt„

Gewünschtenfalls können die Fasern thermoplastisch sein, und in den Fällen* in denen ein Gemisch aus beschichteten und unbeschichteten Fasern verwendet wird, kann nach Bedarf entweder eines oder können beide der Fasermateriälien thermoplastisch sein.

Beispiele für geeignete Thermoplaste, die entweder als BeschLchtungs- oder als Faserverstärkungsmateris.l verwendet werden kön-

PoIy-

nen_f sind z»B,\Propylen, Polyäthylen, Polymere und Mischpolymere von Vinylchlorid, Polyäthylenterephthalat, Polymere und Mischpolymere von Acrylnitril und die verschiedenen Polyamide_t Alternativ kann das Faserverstärkungsmaterial ein mineralisches Fasermaterial, wie ZcB_t Glasfasern oder Asbestfasern, seine Alternativ können auch metallische Fasern, Kohlenstoffasern oder dünne Drähte ?ls verstärkiingsmaterial beim erfindungsgeraäßen

η «,-.- ---". .- _t>·;■ -ϊ-ίτύαη Welche Kombination aus faserfö;?m:L-909829/13UA

;rfi;:.■·

gem Verstärkungsmaterial und Besöhichtungamaterial verwendet wird, es ist auf alle Fälle wesentlich» daß das Beschichtungsmaterial einen niedrigeren Schmelzpunkt als das faserförmige Verstärkungsmaterial aufweist, sofern dieses thermoplastisch ist ο

Wenn die Verstärkungsfasern nicht thermoplastisch sind, d.h«·, daß die Fasern mineralischer Natur sind und beispielsweise aus

Asbest oder Glas bestehen, dann können sie durch bekannte Techniken, wie z.B. Tauchen oder Bespritzen, mit dem niedrigerschmelzenden thermoplastischen Matrixmaterial umgeben werden. Nötigenfalls kann zusätzliches Matrix- oder Verstärkungsmaterial in Form homogener Fasern eingearbeitet werden, und die gleichförmige Verteilung der Matrix-oder Verstärkungsfasern und der beschichteten Verstärkungsfasern in der Fasermasse kann durch Textilmischtecnniken erhalten werden,,

Bei einer stark bevorzugten Auaführungsform der vorliegenden Er-

die

findung, bei der sowohl/ Verstärkungsfasern als aush die matrixbildenden Fasern thermoplastisch sind, können diese als Zweikomponentenfäden gesponnen werden, um beschichtete Fasern herzustellenο Die Komponenten des Fadens können in einer Seite-an« Seite-Anordnung vorliegen, tföbei sie beispielsweise durch die in den britischen Patentschriften 1 035 8Ο9 und 1 041 904 be-•ßchriebenen !Deehniken hergestellt werden können,- oder altema-

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. 5 tiy können sie eine Kern-und-HUllen-Anordnung aufweisen, wobei

sie beispielsweise durch das in der britischen Patentschrift 1 100 430 beschriebene Verfahren hergestellt werden können. Im letzteren Falle sollte das matrixbildende Material natürlich die Hülle sein.

Wenn die Verstärkungsfasern thermoplastisch sind,, dann ist es

erwünscht, daß sie vollständig verstreckt sind, so daß sie der zusammengesetzten Struktur die Eigenschaften einer niedrigen Dehnfähigkeit,. eines hohen Anfangsmoduls und einer hohen Zugfestigkeit verleihen» Wenn dia Fasern Zweikomponentenfäden sind, dann kann das Verstrecken integral mit der Extrusion oder als zweite Stufe bei der Verarbeitung ausgeführt werden. Der Schmelzpunktunterschied zwischen den beiden Komponenten der Zweikomponentenfäden sollte vorzugsweise so sein, daß aie während des Verforimmgsverfahrens nur einen geringen oder gar keinen ^

Verlast der Molekülorientierung und damit nur einen geringen oder gar keinen Verlust an physikalischen fiigenscaaften erle:'.den₀

Wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren die Fasermasse erhitzt und einem Druck unterworfen w.ird, dann fließt das niedrigerschmelzende Material imd bildet eine Matrix_{ welcae das faserförmige Verstärkungsmaterial einschließt,. Der D/.-u-jk zwingt dae Bese.'iichtu£gsniaterial zttfti fließen.,, so daß ee das anders faserfförmig-e Material oinsoJiJ.ießt; wad Im w©F»entliciien -ixe. gs

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luft, die zwischen den Pasern in der Fasermasse vorliegt, austreibt ο Wenn ein gleichförmig verstärktes Produkt erhalten werden soll, dann sollte die Fasermasse innig gemischt werden» bevor sie erhitzt und unter Druck versetzt wird_o Die !Fasermasse kann, ob sie nun vollständig- aus beschichteten Pasern oder aus einem Gemisch aus beschichteten und unbeschichteten Fasern besteht, in zweckmäßiger Weise durch in der Technik der nicht~gewebten Te'xtilstoffe verwendete Verfahren hergestellt werden, Der jeweils gewählte Weg hängt weitgehend von der Matur der Fasern ab. Wenn die beschichteten Fasern in Stapellänge geschnitten 3ind_s dann kann ©ine Faserbahn durch Kardieren, dtjrch statistische Luftablagerung von Fasern auf eine geeignete Fläche oc.er durch Papierherstellungstechniken angefertigt werclen* Das gewünschte Gewicht"der Bahn wird durch die Natur dea feinigen geformten Produkts bestimmt, und einzelne Bahnen, die durch die oben erwähnten Techniken hergestellt worden sind^ können gedoppelt oder kreuzweise gelegt werden, um das Gewicht der Bafcn je Flächeneinheit au erhöhen*, Die Terstärkungsfassrn müssen nicht Stapellänge aufweisen, sondern sie können gewünschtenfe.118 endlose Fäden sein* Faserbahnen aus endlosen Fäden können in zweckmäßiger Weise durch Ablagerung der beschichteten Fasern auf eine Aufnahmeoberflächs_? wobei, eine statistisch abgelegte Struktur gebildet wird? hergestellt werden _s wie ea in der britischen Patentschrift 1 088 931 beschrieben iöt_a ■ .Alternativ können viele endlose Fäden ausgerichtet werden» rädern sie

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Seite an Seite abgelegt werden* um eine Bahn herzustellen» die auf einen Baum aufgespult werden kann, wie er beispielsweise zur Herstellung einer Bahn aus Kettenfäden bei Webprozessen verwendet wird.

Die Verstärkungsfaaem verleihen dem fertigen geformten Produkt im wesentlichen in der Richtung, in der sie orientiert sind, eine verbesserte Zugfestigkeit_o Wenn somit alle Verstärkungsfasern innerhalb des Matrizmaterials im wesentlichen in der gleichen Richtung orientiert sind, so wird die Verbesserung der Zugfestigkeit des geformten Gegenstands weitgehend auf diese Richtung beschränkt sein. Eine Verstärkung des geformten Gegenstands in bevorzugten Richtungen wird somit durch die Verwendung der oben beschriebenen Bahn aus Kettenfäden möglich gemacht, und eine Festigkeit in verschiedenen Richtungen kann durch ein kreuzweises Überlappen oder kreuzweises Legen der Bahnen aus μ Kettenfäden erreicht werden.

Welche Fasermasse auch immer ausgewählt wird, sie kann leicht für eine leichtere Handhabung robuster gemacht werden, indem sie durch einen Bindeofen oder erhitzte Kalanderwalzen hindurchgeführt wird_f so daß das matrixbildende Material gerade geschmolzen wird, wodurch eine leichte Bindung der Struktur durch eine leichte Sinterung derselben erzielt wird« Alterna-'tiv kann die Pasermasse beispielsweise durch Stechen mit Nadeln

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verdichtet werden,, um sie robuster zu jiaohen, wenn eine Stapelfaser verwendet wird« Die Masse kann dann leicht auf ,iede ge-•wünschte Form geschnitten und in die gewünschte Form eingebracht werden.

Die Fasermasse kann in jeder geeigneten Weise erhitzt und ge- ^ preßt werden_f beispielsweise kann sie zwischen Druckwalzen hindurchgefUhrt werden, die auf eine Temperatur zwischen den Schmelzpunkten der beiden Materialien erhitzt sind» In zweckmäßiger Weise wird die Masse durch eine Reihe von Druckwalzen hindurchgeführt_f wie z_tB_e durch einen Kalander, wie er bei der Herstellung von Tafelmaterialien verwendet wird* Die Masse kann in einer erhitzten Presse gepreßt werden, welche flach sein kann_f wodurch ein Tafelmaterial hergestellt wird, oder die obere und untere Oberfläche der Presse kann in geeigneter Weise geformt A sein, so daß die Masse in der V/eise gepreßt wird, daß aie der Form folgt _t wodurch ein der Form entsprechender Gegenstand gebildet wirdc Beispielsweise können durch Vervrendung von geeignet, gestalteten Formen gewellte Platten oder kuppelförraige Gegenstände hergestellt werden_o

Das bevorzugte Verhältnis von Verstärkungsfasern au matrixbildendem Material, ob dieses nun einzig und allein durch einen ,Belag auf den YerstärktmgsfEsern oder durch einen Belag und vei-

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dew

teren Fasern aus/Beschiehtungsinaterial gebildet wird, muß ausreichen, daß eine kontinuierliche Matrix "beim Erhitzen und Pressen entsteht_e Dieses Verhältnis hängt von der Batur des Fasermaterials ab_a Bs wurde geftinden_f daß der optimale Prozentsatz an Verstärkungsfasern im fertigen Formling, um die größte Festigkeit zu erzielen_} ungefähr 50 Teile betragt. Im allgemeinen wurde gefunden _?. daß 2¹/2~75 Volnmteile Verstärkungsfasern zufriedenstellende Formlinge ergeben» aber dieser obere Grenzwert hängt vom Jeweiligen Gremischi, der Viskosität des Gemisehs aus gesoiimolsenem laatrixbildenden Material und verstärkendem Fasermuterial und vom iiiscJtangsgrad ab,.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näb.er erläutert,

900 .<; «-Chargen eines G-smischs, >;e3..ches vsr&chiedens Mengen Nylon 56.·Γ·.·ί:Θ,.·η -xid 3J'ylori«~66-Patern» die mit einer gleichen Sewichts*· iii5üg-i ilana stctisticichaii ifäaohpolymer;·; aus 80 Gew -Φ Hexaiiethf leif.wij^aaiid and 20 G-i-tr, --/^ Oy/ocolactiaa .ceüCihrn-öhtet ^raren» ent-r.x^l «tlO/C"·: auf 'ili'i'T £>hir.lö7 textile Gardlag M-?.ohine gemischt, Ui f- ■ j.-.■& t;-.3n baft-as· i?a.^uert ^.m" einom JJvAe-VStIIbJ auf eine Tj.-iife

o.:* LiJi iiiihu -SUTd3 drsjLißjl (iurc¹ die Masehiiie

^_} c.ann d-yp■,-■■■ :ΙΛ ausaamen^;·*»1 i-'t tr-'-.ά ifiederura Ie !'!aschine hizidiri-hgt· führt und otjuiu.ieP ;nd liochmais

ztLf_;rinm^iii?:offi2· i,er. -.ir-.d -.iocamal-s 'iur^h die i'iaßfihine Mn-909829/1344

durchgeführt _s

Quadratische Proben mit einer Kantenlänge von 12_;7 cm,, welche

aus
ungefähr 60g wogen_? wurden/jeder Baiin herausgeschnitten und ewischen glatte verchromte Platten eingebracht <,= Bless Schiehtgebilde vrarden dann zwischen den Platten einer Presse 5 siinbei einem Druck von 35 at und dann weitere 5 min toi einam Druck von 140 at gepreßt,, wobei die Platten der Presae eine Senrperatur im Bereich von 235-245 C aufwiesen« Die Schi clrbge »■ bilde wurden dann durch zirkulierendes //asser_? das durch die Platten der Presse hindurchging _t abgekühlt _f währerddessen der Druck auf 140 at gehalten wurde ₀ AbscJüießend warden die Proben auf Haumteraperatur xind Haumfeiicht igkeit konditioniert und dann getestete Die Rosultate dieser Tests sind Ln eier fol·· genden Tabelle angegeben..

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CX) N) CO

	(b) beschich tete Fasern	fi> Matrix d.h.Misch polymer	Tabelle	Dichte g/cm*	Fließ span nung ρ kg/cm	Biege- mod\al kg/cm2 χ 105	Charpy-Schlag- festigkeit (0f254 mm Kerbe Spitze) ο mkg/cm
ftew..~7* Fasern im Gemisch	100 50 25	50 25 12,5	% Verstär- kungsfa- sern als Nylon-66	1,15 1,15 1,12	108,85 103.67 53.55	0,2387 0,2464 0f2100	0,146 0,213 0,254
(a) Nylon-66!	50 75 37,5
C 50 75

Beispiel 2

Ein Garn aus 40 Fäden (3 den/Faden) und mit einem zweikomponentigen K ern-und-Hüllen-Aufbau wurde auf ein Verstreckverhältnis von 3 ..85*1 versti*eekt und auf Spulen aufgewickelt., Der Kern der Sweikomponentenfsden bestand aus 5fylon»-66, und die Hülle bestand aus einem Mischpolymer a.us 70% Nylon-66 und 30'/° Wylcm-6₁ Sie Hülls macht ο 35 Gew.»# des Fadens aus. 1160 Spillen dieses Garns wurden auf einen Spulenträger aufgebracht und 11.60 Garenenden worden abgezogen und auf einen Baum aufgespult, um eine Garnbahn mit einer Breite von 1 m herzustellen« Dies Bahn wurde dann durch Kalanderwalzen _f die auf 210⁰C erhitzt waren, hindurchgeführt, wodurch die Fasern leicht miteinander -verbunden wurden.

Quadratische Proben mit einer Kantenlänge von 10,2 cm wurden a,v.& der Bahn herausgeschnitten und in einer 'ilcew gestapelt,, wobei die Richtung der Fäden in einer Schicht senkrecht- zur Richtung der Fäden in den benachbarten Schichten verlief* Dsr Stapel enthielt ausreichend Schichten, so daß die Form gefüllt war,, wenn der Stapel gepreßt wurde* Die Form wurde verschlossen und 5 adb:«. auf 230⁰G erhitzt; wobei ein Druck von 18*1 t auf den Stempel mit einer Kantenlänge von 10,2 cm 5 min l&.*iiy ausgeübt vmrde, währenddessen die Temperatur auf 230°0 gehalten wurde. Hue rauf κυη.:· die Form unter .Druck auf 40⁰C abkühle". gel.is-.:ö<m<.·

Bs wurde ein. Formling ;ixt 'einer gefällige!.. i'l:-GrfläoU3ncc--3oha:Li-i-:?-· heit w.o mit guten Stigoigenscbaften erhel ^J:·sr_; eier aua er.neu

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BADORfQfNAL

MIschpol3?mer aus Nylon~66 -und Hylon-β "bestand _y welches mit Pasern aus Nylon~66 irerstärkt war.

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Claims (1)

1. ο) Verfahren zur Herstellung von Jaarten_? faserMHhmtett synthetischen thermoplastischen organischen polymeren Materialien, dadurch gekennzeichnet.; daß man eine Fasermasse» von der mindestens ein Teil aus Fasern besteht„ die mit einem thermoplastischen Material mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Fasern beschichtet sind,, bei einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des BeschichtungsmateriaXs und der Fasern preßte so daß das Beschichtungsmaterial unter Bildung einer kontinuierlichen Matrix* welch*, die Fasern einschließt? fließt ο

   2 „ Verfahren nach Anspruch 1_? dadurch gekenn

   zeichnet _s daß die Pasermasse mindestens teilweise au;? endlosen Fäden besteht _n

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