DE69311315T2 - Herstellungsverfahren für eine faserverstärkte thermoplastische kunststoff-struktur - Google Patents
Herstellungsverfahren für eine faserverstärkte thermoplastische kunststoff-strukturInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten, thermoplastischen Harz- Struktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Ein Verfahren des obigen Typs ist aus US-A-4 588 538 bekannt. Es ist bekannt, Verstärkungsfasern, wie Glasfasern, in ein thermoplastisches Harz einzubauen, um die Festigkeit und Steifheit des Harzes zu verbessern. Üblicherweise wird ein faserverstärktes, thermoplastisches Harz durch Vermischen eines thermoplastischen Harzes mit kurzen Fasern, wie einem gehackten Glasseidenstrang, und Extrudieren des Blends mit einem Extruder hergestellt. Jedoch ist natürlich die Verbesserung der mechanischen Festigkeit eingeschränkt, da die verwendeten Fasern kurz sind, und in einem solchen mit kurzen Fasern verstärkten Harz das Brechen der Fasern während des Knetens im Extruder unvermeidbar ist. So ist es unmöglich, den Anforderungen an eine weitere Verbesserung der mechanischen Festigkeit zu genügen.
- Vor kurzem hat die Pultrusion als ein Verfahren zur Herstellung eines mit langen Fasern verstärkten, thermoplastischen Harzes ohne Zerbrechen der Fasern für Aufsehen gesorgt, bei dem der oben beschriebene Nachteil beseitigt wird (siehe die US-Patente Nrn. 2 877 501, 4 439 387 und 3 022 210 und die Official Gazette der Japanischen Patentveröffentlichung-A Nr. 181852/1982.
- Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten, thermoplastischen Struktur wird in US-A-3 993 726 offenbart.
- Bei der Pultrusion wird eine Ansammlung von Faserbündeln (ein Gespinst aus Faserbündeln), welche durch Behandlung einer Charge von Einzelfasern aus einer Düse mit einer wäßrigen Lösung oder wäßrigen Emulsion eines Schlichtemittels, Bündeln derselben, Aufwickeln derselben auf eine Haspel, um eine zylindrische Rolle zu bilden, und Trocknen der Rolle hergestellt wird, üblicherweise als Verstärkungsfasern verwendet. Da jedoch die Einzelfasern in den Faserbündeln durch das Bindemittel gebunden sind, beginnt die Imprägnierung der Faserbündel bevor sie in ausreichender Weise geöffnet sind. Demgemäß wird die Imprägnierungswirksamkeit gering, und die Imprägnierung ist zuweilen ungenügend, wodurch sich das Aussehen der Oberfläche und die mechanischen Eigenschaften verschlechtern.
- Nach ausführlichen Untersuchungen, die zum Zweck der Lösung des oben beschriebenen Problems vorgenommen wurden, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, daß die Imprägnierungswirksamkeit des Faserbündels durch Öffnen des geschlichteten Faserbündels vor der Imprägnierung in bemerkenswerter Weise erhöht werden kann. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis dieses Ergebnisses vervollständigt.
- D.h. die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten, thermoplastischen Harz-Struktur, in der ein kontinuierliches Bündel von Verstärkungsfasern mit einem geschmolzenen thermoplastischen Harz imprägniert wird, während das Faserbündel verstreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein kontinuierliches Bündel von Verstärkungsfasern mit einem Oberflächenbehandlungsmittel behandelt wird und dann durch Nadelstanzen geöffnet wird, wonach das Bündel mit dem geschmolzenen thermoplastischen Harz imprägniert wird während das Faserbündel verstreckt wird, um eine faserverstärkte thermoplastische Harz-Struktur zu bilden, die 5 bis 80 Gew.-% (bezogen auf die gesamte Struktur) Verstärkungsfasern in einem im wesentlichen parallel angeordneten Zustand enthält.
- Eine bestimmte Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs 2.
- Die Vielfalt der thermoplastischen Harze, die als Basis der faserverstärkten, thermoplastischen Harz-Struktur verwendet werden, ist in der vorliegenden Erfindung nicht speziell eingeschränkt. Die thermoplastischen Harze, die hierin brauchbar sind, umfassen z.B. Polyethylen, Polypropylen, Polyester wie Polyethylenterephthalat und Polybutylenterephthalat, Polyamide wie Nylon 6, Nylon 66, Nylon 11, Nylon 12, Nylon 610 und Nylon 612, Polyacetale, Polycarbonate, thermoplastische Polyurethane, Polyphenylenoxide, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyetherketone, Polyetheramide und Polyetherimide.
- Die Vielfalt der in der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Verstärkungsfasern ist nicht speziell eingeschränkt. Sie können Fasern sein, die jeweils einen hohen Schmelzpunkt (hohen Erweichungspunkt) haben, wie Glasfasern, Kohlenstoff- Fasern, Metallfasern und Fasern aromatischer Polyamide. Wenn Glasfasern verwendet werden, werden üblicherweise Faserbündel derselben, die einen Faserdurchmesser von 6 bis 25 µm und ein Gewicht von 1000 m derselben von 500 bis 4400 g haben, verwendet. Diese Fasern können solche sein, die mit einem bekannten Oberflächenbehandlungsmittel, wie einem Schlichtemittel, behandelt wurden.
- Das in der vorliegenden Erfindung zu verwendende Verstärkungsfaserbündel kann durch die Behandlung einer Charge von Einzelfasern aus einer Düse mit einer wäßrigen Lösung oder wäßrigen Emulsion eines Schlichtemittels und anschließendes Bündeln derselben hergestellt werden. Insbesondere ist das Verstärkungsfaserbündel z.B. ein Gespinst aus Faserbündeln, das so auf einer Haspel gebündelt und aufgewickelt wird, daß es eine zylindrische Rolle (einen sogenannten Direkt-Roving- Garnkörper) bildet, oder ein Gespinst aus Faserbündeln, das so in eine Form gerollt wird, daß es im wesentlichen endlos ist, und dann getrocknet wird (sogenanntes Kuchen-Gespinst).
- Da die Einzelfasern in dem Faserbündel gebündelt sind, sind sie aufgrund des Oberflächenbehandlungsmittels, wie einem Schlichtemittel, gelegentlich in unzureichendem Maß geöffnet, bevor das Faserbündel in die Imprägnierungsstufe befördert wird. In einem derartigen Fall ist die Imprägnierungswirksamkeit gering, und die Imprägnierung ist gelegentlich so unbefriedigend, daß sich das Aussehen der Oberfläche und die mechanischen Eigenschaften verschlechtern. Obwohl es möglich ist, ein Faserbündel zu verwenden, das einen geringen Bündelungsgrad der Einzelfasern aufweist, die zur Lösung dieses Problems unter Verwendung einer reduzierten Menge des Oberflächenbehandlungsmittels hergestellt wurden, ist der Transport eines derartigen Faserbündels schwierig und es wird ein sehr großer Lagerraum benötigt.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Lösen des oben beschriebenen Problems. Die vorliegende Erfindung stellt das Öffnen des oberflächenbehandelten Faserbündels vor der Imprägnierung durch Nadelstanzen bereit.
- Für das Nadelstanzen ist eine bekannte Apparatur in der Form, in der sie vorliegt, brauchbar. Vorzugsweise werden die Nadeldichte, die Form der Nadeln und die Tiefe des Nadelstanzens gemäß der Vielfalt der Faserbündel und des Grads des Bündelns verändert.
- Die Menge der Verstärkungsfasern beträgt in der vorliegenden Erfindung 5 bis 80 Gew.-%. Wenn die Menge der Verstärkungsfasern unterhalb von 5 Gew.-% liegt, kann keine ausreichende Verstärkungswirkung erhalten werden, und wenn sie demgegenüber 80 Gew.-% übersteigt, wird die Herstellung der verstärkten Struktur und das Formen derselben schwierig. Eine bevorzugte Menge der Verstärkungsfasern beträgt 10 bis 75 Gew.-% und insbesondere 20 bis 70 Gew.-%.
- Obwohl die bei der Pultrusion zur Herstellung der faserverstärkten, thermoplastischen Harz-Struktur zu verwendende Düse nicht speziell eingeschränkt ist, wird vom Standpunkt der Betriebsweise aus gesehen eine Imprägnierungsdüse, insbesondere eine Kreuzkopfdüse, bevorzugt. Die Imprägnierungsmethode für das Harz ist nicht speziell eingeschränkt, und alle bekannten Methoden, wie die Methode des Hindurchführens durch eine gebogene Passage oder eine Walzenmethode, können angewendet werden.
- In der faserverstärkten, thermoplastischen Harz-Struktur der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben hergestellt wird, liegen die Verstärkungsfasern im wesentlichen kontinuierlich über die ganze Länge der Struktur vor und sind parallel zueinander angeordnet. Beim Hindurchführen der Struktur durch eine Formdüse kann die Struktur zu einer erwünschten Form, wie einem Strang, Pellets, einem Band oder einem Blatt, geformt und mit Abzugswalzen abgenommen werden.
- Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch für die Herstellung einer faserverstärkten, thermoplastischen Harz- Struktur verwendet werden, die weiterhin Substanzen enthält, die Harzen üblicherweise gemäß dem Zwecks und der Anwendung zugegeben werden, z.B. Stabilisatoren, z.B. Antioxidationsmittel, Wärmestabilisatoren und Ultraviolettabsorber, antistatische Mittel, Gleitmittel, Weichmacher, Formentrennmittel, Flammverzögerungsmittel, Flammverzögerungshilfsmittel, Kristallisationsbeschleuniger, Färbemittel, z.B. Farbstoffe und Pigmente, und pulverige, körnige oder plättchenförmige, anorganische und organische Füllstoffe.
- Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß eine faserverstärkte, thermoplastische Harz-Struktur, die beim Formen ein extrem gutes Oberflächenaussehen und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist, auf wirksame Weise durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, worin bei der Herstellung der faserverstärkten, thermoplastischen Harz-Struktur das Verstärkungsfaser-Bündel durch einen mechanischen Schlag geöffnet und dann mit einem geschmolzenen, thermoplastischen Harz imprägniert wird.
- Das folgende Beispiel erläutert weiterhin die vorliegende Erfindung.
- Ein nasses Glasfaserbündel, das durch die Behandlung von Fasern mit einer ein Schlichtemittel enthaltenden Emulsion und Bündeln derselben hergestellt wurde, wurde durch die Direktwalzmethode gewalzt und dann getrocknet, um ein Gespinst der Glasfaserbündel zu erhalten. Das aus dem Gespinst entnommene Glasfaserbündel wurde mit geschmolzenem Polypropylen imprägniert während es durch eine Kreuzkopfdüse gezogen wurde, dann geformt und geschnitten, um eine pelletartige, faserverstärkte, thermoplastische Harz-Struktur zu erhalten, die einen Glasfasergehalt von 50 Gew.-% hat (Vergleichsbeispiel 1).
- Es wurde eine andere pelletartige, faserverstärkte, thermoplastische Harz-Struktur auf die gleiche wie die oben beschriebenen Weise hergestellt, außer daß das Glasfaserbündel aus dem oben beschriebenen Glasfaserbündel-Gespinst nadelgestanzt wurde, um das Glasfaserbündel vor seinem Hindurchgehen durch die Kreuzkopfdüse zu öffnen, und das Faserbündel mit Polypropylen imprägniert wurde (Beispiel 1). Der Grad des Öffnens des Faserbündels nach dem Nadelstanzen wurde in Form der Breite der Öffnung bestimmt, die auf der Seite eines Zylinders gebildet (angeschmiedet) wurde, indem man eine Spannung von 3,92 N/cm² (400 gf/cm²) an das Faserbündel anlegte und dasselbe mit einer Geschwindigkeit von 1m/min entlang der Seitenfläche des Zylinders eines Durchmesser von 35 mm zog. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgeführt.
- Teststücke zur Bestimmung der Eigenschaften und flache Platten (100 mm × 100 mm × 8 mm) zur Bestimmung des Aussehens der Oberfläche wurden aus der oben erhaltenen pelletartigen, faserverstärkten, thermoplastischen Harz-Struktur durch Spritzgießen hergestellt, um ihr Oberflächenaussehen und ihre mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Das Oberflächenaussehen wurde aus dem Grad der heterogenen Dispersion der Verstärkungsfaser, die auf der Oberfläche des geformten Gegenstandes gebündelt ist, und der Anzahl derselben durch die relative Bewertungsmethode bestimmt. Je niedriger die Zahlen sind, umso besser ist das Oberflächenaussehen. Tabelle 1
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten
thermoplastischen Harz-Struktur, in der ein kontinuierliches
Bündel von Verstärkungsfasern mit einem geschmolzenen
thermoplastischen Harz imprägniert wird, während das
Faserbündel verstreckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
ein kontinuierliches Bündel von Verstärkungsfasern mit
einem Oberflächenbehandlungsmittel behandelt wird und
dann durch Nadelstanzen geöffnet wird, wonach das Bündel
mit dem geschmolzenen thermoplastischen Harz imprägniert
wird während das Faserbündel verstreckt wird, um eine
faserverstärkte thermoplastisches Harz-Struktur zu bilden,
die 5 bis 80 Gew.-% (bezogen auf die gesamte Struktur)
Verstärkungsfasern in einem im wesentlichen parallel
angeordneten Zustand enthält.
2. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten
thermoplastischen Harz-Struktur gemäß Anspruch 1, worin das
Imprägnieren des Faserbündels mit einem geschmolzenen
thermoplastischen Harz unter Verwendung einer
Kreuzkopfdüse durchgeführt wird, während das Faserbündel
verstreckt wird.
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