ES2207331T3

ES2207331T3 - Sistema de encolado no acuoso para fibras de vidrio y polimeros moldeables por inyeccion.

Info

Publication number: ES2207331T3
Application number: ES99966167T
Authority: ES
Inventors: David G. Miller; Leonard J. Adzima; David J. Wamer
Original assignee: Owens Corning; Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-13
Publication date: 2004-05-16
Anticipated expiration: 2019-12-13
Also published as: KR20010099938A; HUP0202933A2; CA2354127C; JP4739528B2; CA2354127A1; AU2177600A; CZ20012347A3; NO20013137D0; ATE248784T1; WO2000039042A1; US20020054985A1; CN1333734A; US6399198B1; JP2002533296A; EP1152991B1; BR9916487B1; NO20013137L; DE69911068D1; EP1152991A1; ZA200105123B

Abstract

Una composición de encolado no acuosa para aplicación a fibras de vidrio de refuerzo, que comprende: (a) uno o más formadores de película, (b) uno o más agentes de acoplamiento y (c) uno o más polvos de poliamida.

Description

Sistema de encolado no acuoso para fibras de vidrio y polímeros moldeables por inyección.

Campo técnico e industrial Aplicabilidad del procedimiento

La presente invención se refiere a la manufactura de peletes de vidrio cortado para moldeo por inyección de polímeros reforzados. En particular, la presente invención proporciona composiciones para encolado y un procedimiento para la manufactura de pelets de fibra de vidrio que tienen una capacidad aumentada para ser procesados sin pérdida alguna de las características de dispersión de los pelets de vidrio.

Antecedentes de la invención

Las composiciones para encolado son bien conocidas y se usan ampliamente en la manufactura de fibras de vidrio o carbón para mejorar sus propiedades de procesamiento tales como: cohesión del haz de fibras, capacidad de extenderse, resistencia a la formación de pelusa, uniformidad y suavidad de las fibras, resistencia a la abrasión y capacidad fácil y no destructiva de desovillarse de los haces de fibras bobinadas.

La industria de plásticos reforzados ha usado fibras de vidrio de varias formas de matrices polímeras de refuerzo para producir varios productos. Las fibras de vidrio se han usado en forma de filamentos continuos o cortados, mechas y cordeles, así como telas tejidas y no tejidas, mallas y cañamazos para reforzar polímeros. Se han reforzado matrices polímeras termoplásticas con una variedad de diferentes formas de fibras de vidrio, dando por resultado la producción de productos tales como: compuestos para moldeo de hojas, compuestos para moldeo de masas, productos de pultrusión, productos para moldeo, productos de moldeo por proyección, etc.

La producción de fibras de vidrio para el mercado de refuerzo de polímeros implica la atenuación de las fibras de vidrio de corrientes fundidas de material de vidrio polimerizable de un eje o dispositivo similar conectado a un horno que contiene material de vidrio fundido que puede formar fibras. Las fibras de vidrio se atenúan por medios convencionales tales como escalones en cuña o chorros de aire a presión. En el procedimiento de producción de fibras de vidrio, se aplica a ellas una composición química poco después de que se hayan atenuado como corrientes fundidas de vidrio. Con anterioridad a la presente invención, tradicionalmente la composición química estaba en solución acuosa, como composición de espuma o gel que contiene materiales polímeros formadores de película, agentes de acoplamiento o clave, lubricantes y, algunas veces, coadyuvantes de procesamiento. Esta composición química o de encolado es necesaria para retardar la abrasión entre filamentos de las fibras de vidrio cuando se conjuntan en un haz de fibras o mechas de vidrio. También se requiere, con el fin de que las fibras de vidrio sean compatibles con las matrices de polímero, que se usan para reforzar. Después de aplicar la cola, las fibras se secan en forma de paquete o en forma de mecha cortada antes de usarlas como refuerzo.

Antes de la presente invención, la etapa siguiente al usar fibras de vidrio como refuerzo para polímeros moldeados implicaba la producción de un material compuesto de fibras cortas o un material compuesto de fibras largas. Por lo general, la producción de materiales compuestos de fibras cortas implicaba mezclar pelets de polímero puro con las fibras de vidrio cortadas de manera que las fibras de vidrio se dispersaran en el polímero al extruir. La pultrusión se usa para producir materiales compuestos de fibra larga cuando el polímero termoplástico, caliente, se hace pasar a través de un cordel de vidrio para hacer el material compuesto. Este procedimiento para producir el material compuesto de polímero es caro y muy lento, principalmente debido a la alta viscosidad del polímero termoplástico.

Como se ha discutido antes, las fibras de vidrio cortadas se usan comúnmente como materiales reforzadores en artículos termoplásticos. Típicamente, tales fibras se forman estirando el vidrio fundido formando filamentos a través de una hilera o placa de orificios, aplicando una composición de encolado que contiene lubricantes, acoplando a los filamentos agentes y resinas aglutinantes para conformar, reuniendo los filamentos para formar mechas, gavillas, cortando las mechas gavillas de filamentos en segmentos de la longitud deseada y secando la composición de encolado. Estos segmentos de mechas cortadas se mezclan luego con una resina polimerizable y la mezcla se suministra a una máquina de moldeo por compresión o inyección para formar artículos de plástico reforzado con fibra de vidrio. Típicamente, las mechas cortadas se mezclan con pelets de una resina termoplástica polimerizable y la mezcla se suministra a una máquina de extrusión en la que funde la resina y se mezcla con mechas cortadas, con lo que se destruye la integridad de las mechas de fibra de vidrio y las fibras se dispersan en la resina fundida, disminuye la longitud de las fibras y la dispersión de fibras/resina se convierte en pelets. Estos pelets se suministran luego a la máquina de moldeo y se obtienen artículos moldeados que tienen en todas sus partes una dispersión sustancialmente homogénea de fibras de vidrio.

Desafortunadamente, sin embargo, las fibras de vidrio cortadas producidas por tales procedimientos son, típicamente, voluminosas y no se deslizan bien. Consecuentemente, a veces estas fibras son de difícil manipulación y ocasionalmente han sido problemáticas al procesarlas en equipos automáticos.

La mayor parte de los intentos para mejorar el procedimiento se han dirigido a compactar las mechas cortadas. El trabajo tenía por objetivo mejorar el deslizamiento de las mechas cortadas, lo que presumiblemente permitiría el uso de equipos automáticos para pesar y transportar las fibras de vidrio a mezclar con resinas termoplásticas.

Un procedimiento así se describe en la patente U.S. nº. 4.840.755, en la que las mechas cortadas húmedas se hacen pasar por rodillos, preferiblemente sobre un transportador que vibra, para redondear las mechas y compactarlas en pelets más densos, de forma cilíndrica. Sin embargo, si bien los métodos descritos tienden a proporcionar pelets más densos, de forma cilíndrica, que presentan un deslizamiento mejor, los métodos y aparatos descritos tiene limitaciones indeseables en ciertos aspectos. Por ejemplo, el tamaño de los pelets y el contenido de fibras está limitado, por lo general, por el tamaño y número de fibras en la mecha cortada. Aunque, según se ha dado cuenta, las mechas separadas o los filamentos sueltos se adhieren a otras mechas durante el proceso del paso por rodillos, el procedimiento está diseñado para evitar que múltiples segmentos de mechas cortadas se adhieran entre sí para formar pelets que contienen más fibras que las que están presentes en una mecha individual cortada. Consecuentemente, para obtener pelets que tienen una densidad aparente adecuada y una relación de diámetro a longitud suficiente para que tengan una buena capacidad de deslizamiento, la mecha de la que se cortan los segmentos usualmente deben estar formadas por un gran número de filamentos. Sin embargo, el aumento del número requerido de filamentos a formar y combinar en una sola mecha complica indeseablemente la operación de manufactura.

Aunque los pelets descritos se pueden producir por procedimientos de mezcladura diversos, se ha descubierto que muchos de tales procedimientos son ineficaces para su uso comercial o no pueden controlarse adecuadamente para producir un pelet uniforme que proporcione un artículo de material compuesto con buenas características de resistencia, comparables a las de artículos hechos con fibras de mechas cortadas no peletizadas. Por ejemplo, frecuentemente, el uso de un peletizador de disco modificado según se describe en al patente U.S. nº. 4.840.755 da por resultado un tiempo de residencia excesivo de los pelets formados en la mezcladora, lo que da por resultado la degradación de los pelets debido a la naturaleza abrasiva de los pelets de fibra de vidrio que se rozan mutuamente. Tal degradación de los pelets reduce finalmente las características mecánicas resistentes de los artículos hechos con ellos.

En un intento para superar estos inconvenientes, la patente U.S. nº. 5.578.535 describe pelets de fibra de vidrio que son de 20 a 30 por ciento más densos que las mechas individuales de vidrio de los que se han hecho, y de un diámetro 5 a 15 veces mayor. Estos pelets se preparan por hidratación de segmentos de mecha cortados a un nivel suficiente para impedir la filamentización pero insuficiente para que los segmentos de mecha se aglomeren formando un grumo, y mezclando los segmentos de mecha hidratados durante un tiempo suficiente para formar pelets. Los procedimientos de mezcla adecuados comprenden cualquier procedimiento que mantenga las fibras en movimiento sobre y en torno entre sí y entre ellos están incluidos los de volteo, agitación, homogeneización, incorporación mutua, agitación turbulenta e interposición. Sin embargo, aunque los pelets descritos pueden hacerse por diversos procedimientos de mezclas, se ha descubierto que muchos de tales procedimientos so o demasiado ineficientes para usarlos comercialmente, o no pueden controlarse adecuadamente para producir un pelet uniforme que proporcione artículo de material compuesto con unas características de resistencia mecánica comparables a la de los obtenidos con fibras de mechas cortadas no peletizadas. Por ejemplo, el uso de un peletizador de disco modificado como el descrito en la patente de por resultado, frecuentemente, un tiempo de residencia excesivo de los pelets formados dentro de la mezcladora, lo que se traduce en una degradación de los pelets debido a la naturaleza abrasiva de los pelets de fibra de vidrio que se rozan unos contra otros. Tal de gradación de los pelets reduce las características de resistencia mecánica de los artículos moldeados hechos con ellos.

En resumen, los intentos precedentes para mejorar la tecnología de las mechas de fibra de vidrio cortada, se han dirigido principalmente a longitudes cortas de fibra (aproximadamente 6 mm) y contenidos bajos de vidrio (aproximadamente 30%), con el fin de mantener la dispersión de las fibras de vidrio en a pieza moldeada por inyección. Este resultado se traduce en pérdida de capacidad de procesamiento. Junto con los requerimientos en cuanto a capacidad de procesamiento y dispersión, la industria intentado también aliviar las inquietudes ambientales mediante la disminución a un mínimo de los niveles de VOCs a la vez que se mantienen las propiedades físicas de las fibras. Esto ha dado lugar al uso de colas NEAT (no acuosas con una temperatura de aplicación elevada). Con colas NEAT, las resinas no se emulsionan o mezclan con disolventes y, por tanto, se reducen significativamente los VOCs. Además, en la presente invención, los agentes de acoplamiento o, más en particular, los silanos no se mezclan en agua; esto reduce, en algunos casos, la hidrolización y puede hacer disminuir la liberación de VOCs en el ambiente de producción. Esto se demuestra en la solicitud de patente U.S. nº. de serie 08/885 882, cedida a Owens-Corning Fiberglas Technology, inc.

Consecuentemente, existe la necesidad de un método para procesar fibras con una composición de encolado que añade capacidad de procesamiento a fibras de vidrio con cola NEAT mientras que se conserva la excelente capacidad de dispersión en el producto moldeado. No sólo satisfacen esta necesidad el procedimiento y la invención de la presente invención, sino que la invención tiene el aspecto adicional de aumentar la resistencia al impacto Izod con probeta entallada de las piezas moldeadas, sino que también permite unos contenidos más altos de vidrio.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona una composición no acuosa de encolado y un procedimiento que da fibras cortadas de vidrio altamente procesables que aumentan los valores de resistencia al impacto Izod con probeta entallada de los productos moldeados por inyección con los pelets. Los pelets de vidrio resultantes se pueden usar en la manufactura de cualquier producto de fibra larga que requiere propiedades elevadas. Por ejemplo, el producto de la invención se puede usar en piezas moldeadas por inyección y compresión útiles en la industria del automóvil, tales como piezas del interior de un coche, sin pérdida de las características físicas, teniendo, a la vez, más capacidad de procesamiento.

Antes del descubrimiento de la presente composición de encolado, era necesario mantener bajo el peso molecular de la cola con el fin de reducir restos pegados. Esto daba por resultado problemas para mantener la integridad de los pelets. Sin embargo, la presente invención permite añadir materiales de peso un molecular más alto, que permite el uso de temperaturas más elevadas. El resultado es un pelet de vidrio cortado que tiene unas características físicas y de procesamiento comparables o mejores que las normalmente vistas sólo en pelets revestidos con alambre.

Una realización de la cola no acuosa de la presente invención contiene un o más agentes formadores de película que son miscibles con el polímero a reforzar y uno o más agentes de acoplamiento y uno o más polvos de alto peso molecular. La cola no contiene agua y se aplica a altas temperaturas.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 y la Figura 2 demuestran que la adición de 5% de polvo tenía efectos despreciables sobre la viscosidad y que la adición de 30% sólo la duplicaba.

Descripción detallada y realizaciones preferentes de la invención

En el procedimiento de la invención se forma una mecha de fibras de vidrio sustancialmente continuas por técnicas convencionales, tales como el estiramiento de vidrio fundido a través de una placa de hileras caliente para formar una multitud de fibras de vidrio sustancialmente continuas, que se recogen formando una mecha. En la presente invención se puede usar adecuadamente cualquier aparato conocido en la técnica para producir tales fibras y recogerlas formando una mecha. Son fibras adecuadas las fibras que tienen un diámetro de aproximadamente 10 a 30 micrómetros, y las mechas adecuadas contienen aproximadamente de 50 a 45.000 fibras. Preferiblemente, las mechas formadas en el procedimiento de la invención contienen de aproximadamente 4.000 a 5.000 fibras que tienen un diámetro de aproximadamente 17 a 25 micrómetros.

La composición no acusa de encolado de la presente invención consta de uno o más agentes formadores de película, uno o más agentes de acoplamiento y contiene uno o más polvos de poliamida de alto peso molecular.

El polvo de poliamida de alto peso molecular preferido es polar y se acopla a las fibras de vidrio en una etapa de consolidación en horno. Los polvos adecuados añaden peso molecular y tenacidad a la cola sin aumentar sustancialmente la viscosidad de al composición no acuosa de encolado. Entre los polvos polares, de alto peso molecular, adecuados están incluidos polvos de nailon tales como poliamida Orgasol 2001 EXD NAT 1; poliamida Orgasol 2001 UD NATI, y poliamida orgasol 2001 UD NAT2, y tienen un peso molecular que varía de aproximadamente 12.000 a aproximadamente 65.000. En una realización preferente, el peso molecular varía de aproximadamente 18.000 a aproximadamente 50.000. Un polvo preferido es Orgasol poliamida 12 de 5 micrómetros (obtenida de Elf Atochem North America). Preferiblemente, los polvos se añaden en una cantidad de aproximadamente 1% a aproximadamente 20%, prefiriéndose más una cantidad de 5% a aproximadamente 15%. El agente formador de película más preferido debe ser sólido a temperatura ambiente con una viscosidad de 50-400 cps a 100ºC y que tenga un peso molecular suficiente para ser esencialmente no volátil.

Preferiblemente, la viscosidad de revestimiento es inferior a 500 cps cuando se aplica en la formación para evitar exceso de adherencia o tensión sobre las fibras. En una realización, esto se logra seleccionando un agente formador de película de un peso molecular bajo (típicamente por debajo de 8.000) y una temperatura aceptable para el procesamiento (usualmente de 150ºC o más baja por razones de seguridad y producción). Además, el polvo no puede fundir o disolverse en el dispositivo aplicador con el fin de evitar que el polvo forme bolas aglomeradas y se aumente la viscosidad de la cola.

Los agentes de acoplamiento preferidos deben ser líquidos a temperatura ambiente. El grupo de agentes de acoplamiento adecuados incluye silnos oprganofuncionales, 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano y 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano. El agente de acoplamiento preferido para uso en la invención es 3-aminopropiltrietoxisilano, adquirible comercialmente de Osi Specialties of Witco bajo la designación comercial A-1100. Preferiblemente, los silanos organofuncionales se usan en una cantidad de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 4% de la composición de encolado, siendo la más preferida la cantidad de 2%.

El grupo de agentes formadores de película útiles en la invención incluye los miscibles con el polímero a reforzar. En una realización preferente, el agente formador de película tiene un peso molecular inferior a 8.000. Por ejemplo, con nailon, el grupo de formadores de película adecuados incluye policaprolactonas tales como Tone 0310 y 0260, de Union Carbide. Para reforzar polipropilenos, son agentes formadores de película adecuados ceras amorfas tales como Vybar 260 y 825, de Petrolite.

Además de los componentes necesarios para preparar la invención, también pueden estar presentes otros componentes que normalmente se añaden a composiciones para encolado de fibras de vidrio o carbono. Por ejemplo, la composición de la invención puede contener agentes antiestáticos, agentes reticuladores o endurecedores, antioxidantes, lubricantes catiónicos para reducir filamentos con pelusa o rotos, lubricantes no iónicos, agentes de nucleación o pequeñas cantidades de pigmentos, etc. Un ejemplo de un agente de reticulación sería bis-silano.

En el procedimiento de la invención, se forma una mecha de fibras de vidrio sustancialmente continuas por técnicas convencionales tales como el estiramiento de vidrio fundido a través de una placa de hileras caliente para formar una multitud de fibras sustancialmente continuas y recogiendo las fibras formando una mecha. En la presente invención se puede usar cualquier aparato conocido e al técnica para producir tales fibras y recogiéndolas adecuadamente formando una mecha. Las fibras adecuadas son fibras que tienen un diámetro de aproximadamente 10 a 30 micrómetros y las mechas adecuadas contienen aproximadamente e 50 a 45.000 fibras. Preferiblemente, las mechas formadas en el procedimiento de al invención contienen de aproximadamente 4.000 a 5.00 que tienen un diámetro de aproximadamente 17 a 26 micrómetros. En una realización particularmente preferente, las mechas tienen un diámetro de aproximadamente 20 a aproximadamente 23 micrómetros.

La composición no acuosa de encolado se puede aplicar a las fibras de vidrio o carbono por cualquier método conocido por los expertos en la técnica, tal como, durante la formación de las fibras de vidrio o después de que las fibras de vidrio se hayan enfriado a una temperatura suficiente, aplicar la composición no acuosa de encolado. La composición no acuosa de encolado se puede aplicar a las fibras de vidrio mediante dispositivos aplicativos que tienen cintas, rodillos, boquillas de proyección y dispositivos aplicativos de material fundido caliente.

Preferiblemente, la composición de encolado se aplica con un dispositivo aplicador calentado que es capaz de aplicar o suministrar uniformemente pequeñas cantidades de cola a una mecha continua de vidrio. Se puede usar dispositivos aplicativos estacionarios y duales, aunque los dispositivos aplicativos preferidos son de rodillo ranurado de 19,05 mm, los de rodillo ranurado de 9,5 mm, los dispositivos aplicativos duales de rodillo y los de múltiples rodilos ranurados. El más preferido es de dispositivo aplicador de rodillo ranurado de 19,05 mm.

Típicamente, el dispositivo aplicador de rodillo ranurado de 19,05 mm tiene un diámetro de 19,05 mm con un rodillo de grafito o acero; el bloque del fondo se calienta. El dispositivo aplicador proporciona una corriente de cola de paso único que reduce restos pegados en comparación con los dispositivos estándar tales como los usados típicamente en la técnica. Con este dispositivo aplicador hay la ventaja de que la velocidad del rodillo es ajustable mediante el tren de engranajes y la inversión de marcha. Además, es muy adecuado para viscosidades en el intervalo de 50-400 cps y adiciones a razón de 0,5% a 8% o más altos.

El dispositivo aplicador de rodillo ranurado de 9,5 mm se diferencia en que el diámetro del rodillo es de 9,5 mm y el bloque del fondo se calienta. Este dispositivo aplicador proporciona también una corriente de cola de paso único con restos pegados ligeramente más bajos en comparación con el de rodillo ranurado de 19,05 m. Al igual que el dispositivo aplicador de 19,05 mm, la velocidad del rodillo se puede ajustar mediante el tren de engranajes y la inversión de marcha. Además, este dispositivo aplicador se ha visto que es útil para viscosidades en el intervalo de 50-400 cps y adiciones a razón de 0,3% a 3% o más altos.

Se dispone de un dispositivo para producir fibras de vidrio encoladas. El aparato comprende: una placa de hileras calentada para suministrar corrientes de vidrio fundido a estirar a fibra continua; un dispositivo adaptado para estirar las corrientes a fibras; y un dispositivo aplicador de cola. El dispositivo aplicador de cola incluye una caja y un dispositivo aplicador de rodillos que está acoplado rotatoriamente a la caja. La caja tiene una entrada de suministro adaptada para recibir a presión la composición de encolado desde una fuente de suministro de cola, una ranura de salida y una vía de paso que se extiende desde la entrada de suministro a la ranura de salida. La vía de paso recibe la composición de encolado de la entrada de suministro y aporta la composición de encolado a la ranura de salida de manera que la composición de encolado sales de la caja y pasa a una superficie exterior del dispositivo aplicador de rodillo. El dispositivo aplicador de rodillo está espaciado de al caja de manera que la caja sustancialmente no tiene contacto ni altera es espesor de la composición de encolado recibida sobre el dispositivo aplicativo de rodillo.

Preferiblemente, el dispositivo aplicador gira en torno a un eje central que descansa en un plano generalmente horizontal, de manera que la composición de encolado sales de la caja y pasa a la superficie exterior del dispositivo aplicador de rodillo por encima del plano horizontal.

El dispositivo aplicador incluye además las partes terminales primera y segunda. En una realización, la primera parte terminal tiene las espirales o roscas primeras y la segunda parte terminal tiene las espirales o roscas segundas. Las espirales primeras y las segundas tienen avances opuestos de manera que diverge la composición de encolado que tiene contacto con las partes terminales primera y segunda hacia adentro a medida que gira el dispositivo aplicativo de rodillo. Preferiblemente, la vía de paso tiene una sección transversal que es generalmente constante desde la entrada de suministro a la ranura de salida.

El aparato incluye además un aparato motor para realizar la rotación del dispositivo aplicador de rodillo. El aparato motor comprende un montaje motor y un montaje de polea. El montaje motor incluye un motor que tiene un eje de transmisión y una polea motriz acoplada al eje de transmisión de manera que gira con el eje de transmisión. El montaje de polea incluye: una caja de polea; un primer eje montado giratoriamente en la caja y que incluye un taladro interior; un segundo eje colocado en el taladro y que incluye un soporte anular y una parte terminal distal adaptada para acoplarse al dispositivo aplicador de rodillo de manera que el giro del segundo eje produce el giro del dispositivo aplicador de rodillo; una sujeción de muelle fijado al primer eje de manera que gire con el primer eje y que se acopla y sujeta el muelle en el taladro; y una cinta colocada por encima de la polea motriz y una parte del primer eje de manera que la polea motriz efectúa la rotación del primer eje. El muelle efectúa la rotación del segundo eje después de al rotación del primer eje. La parte del primer eje puede comprender una polea motriz montada al primer eje.

La parte terminal distal del segundo eje preferiblemente incluye una clavija que se extiende, por lo genéricamente transversal al eje central del segundo eje. La clavija está adaptada para acoplarse a una muesca receptora de la clavija que existe en el dispositivo aplicador de rodillo.

De acuerdo con un segundo aspecto del aparato preferido, se proporciona un dispositivo aplicador de cola para aplicar un revestimiento de una composición de encolado a fibras de vidrio. El dispositivo aplicador comprende una caja y un dispositivo aplicador de rodillo que está acoplado rotatoriamente a la caja. La caja tiene una entrada de suministro adaptada para recibir la composición de encolado desde una fuente de suministro de cola, una ranura de salida y una vía de paso que se extiende desde la entrada de suministro a la ranura de salida. La vía de paso recibe la composición de encolado de la entrada de suministro y aporta la composición de encolado a la ranura de salida de manera que la composición de encolado sale de la caja y pasa a una superficie exterior del dispositivo aplicador de rodillo. El dispositivo aplicador de rodillo está espaciado de la caja de manera que la caja no altera sustancialmente el espesor de la composición de encolado recibida sobre el dispositivo aplicador de rodillo.

De acuerdo con un tercer aspecto del aparato preferido, se proporciona un dispositivo aplicador de cola para aplicar una composición de encolado a fibras de vidrio. El dispositivo aplicador de cola comprende una caja y un dispositivo aplicador de rodillo que está acoplado rotatoriamente a la caja. La caja tiene una entrada de suministro adaptada para recibir la composición de encolado desde una fuente de suministro de cola, una ranura de salida y una vía de paso que se extiende desde la entrada de suministro a la ranura de salida. La vía de paso recibe la composición de encolado de la entrada de suministro y aporta la composición de encolado a la ranura de salida de manera que la composición de encolado sale de la caja y pasa a una superficie exterior del dispositivo aplicador de rodillo. El dispositivo aplicador de rodillo está espaciado de la caja de manera que la caja sustancialmente no tiene contacto con la composición de encolado una vez recibida sobre el dispositivo aplicador de rodillo.

Un dispositivo aplicador de rodillo dual es útil cuando se manipulan colas que tienen viscosidades en el intervalo de 1-200 cps mientras que la gama de adición necesaria es de 1-15%. Este tipo de dispositivo aplicador permite un control preciso del espesor de al película.

La cola se aplica usando un dispositivo de aplicación calentado capaz de aplicar o suministrar pequeñas cantidades de 3-225 g/min distribuidas uniformemente a una mecha de vidrio. Preferiblemente, el sistema aplicador tienen un diámetro de 6,35 mm a 25,4 mm y el suministro se efectúa mediante una bomba Zenith serie H.

La cola no acuosa de la presente invención se puede aplicar a temperatura en el intervalo de 68ºC a 50ºC. Preferiblemente, la cola se aplica a una temperatura de no menos de 149ºC. En una realización particular, la cola se aplica a 100ºC.

La cola se puede aplicar a viscosidades que varían de 75 a 500 cps. Preferiblemente, la cola se aplica en el intervalo de 100 a 250 cps. En una realización particularmente preferente, la cola no acuosa se aplica a una viscosidad de aproximadamente 200 cps.

Otra variable importante es la cantidad de cola a aplicar al vidrio. En las mechas cortadas tradicionales, el % LOI en peso de cola sobre fibra de vidrio o carbono es de 1% o menos, siendo normalmente para fibras cortas de aproximadamente 0,5% a 1% de cola. Así, la influencia de la cola sobre la matriz es relativamente pequeña. A diferencia, en el encolado de la presente invención la cantidad de cola está entre 2% y 10%. Como resultado de ello, la función de la cola se amplía ya que no sólo proporciona buena adherencia ofreciendo protección y buenas características de procesamiento, sino que es también un componente significativo de la matriz. En particular, para la presente invención, la gran cantidad de cola sobre el vidrio permite que la fibras de vidrio revestida de alambre se disperse uniformemente en todo el polímero termoplástico durante el proceso de moldeo.

Un método para determinar la LOI a usar es aplicar cola en una cantidad suficiente para llenar esencialmente los intersticios de la mecha de vidrio. Esto requiere la determinación y medida de los intersticios. El cálculo usa la densidad del filamento de vidrio y la densidad de la cola. La fórmula es como sigue:

Superficie de un hexágono que circunscribe un círculo de

radio r = n*r*r* tang.(\pi/6)

Se asume que r = 1 cm

Area del hexágono (vidrio más cola) = 3,4641 cm^{2}

Area del círculo (vidrio) = \pi cm^{2}

Superficie de cola = 3,4641 = \pi = 0,3225 cm^{2}

Volumen de (se supone altura = 1 cm)

: de cola = 0,3225 cm^{3}

: de vidrio = \pi cm^{3}

Peso de cola = (1 g/cm^{3})(\pi cm^{3}) = 7,948 g

Peso de vidrio = (2,53 g/cm^{3})(\pi cm^{3}) = 7,948 g

Peso total de cola y vidrio = 8,2707 g

Porcentaje en peso de cola = 3,9%.

La cola se puede aplicar en cantidades que varían de 2% a 10%. Preferiblemente, la cola se aplica en el intervalo de 2 a 5%. En una realización particularmente preferente, la cola se aplica a una fibra de vidrio para refuerzo de nailon a una LOI de 3,0% a 4,0%, siendo la LOI más preferida de 3,5%. En unan realización particularmente preferente, la cola se aplica a una fibra de vidrio para refuerzo de polipropileno acoplado a una LOI de 2 a 5%, siendo la LOI más preferida 3,5%. Sin embargo, se puede saber por la discusión y las fórmulas anteriores que la LOI preferida variará con la densidad del filamento de vidrio y la densidad de la cola. Por ejemplo, un filamento de 23 micrómetros tiene una LOI preferida de aproximadamente 3,5%, mientras que un filamento de 20 micrómetros tiene una LOI preferida de aproximadamente 4,1%, un filamento de 16 micrómetros tiene una LOI preferida de aproximadamente 5,0% y un filamento de 13 micrómetros tiene una LOI preferida de aproximadamente 6,2%. Así, al ser mayor la superficie por gramo de vidrio, se necesita más cola.

En una realización se proporciona una composición de encolado para tratamiento de fibras de vidrio que comprende: uno o más formadores de película miscibles con el polímero a reforzar; uno o más agentes de acoplamiento, y uno o más polvos de alto peso molecular. El formador de película puede ser cualquier formador de película que tenga un peso molecular suficientemente alto para que sea esencialmente no volátil, que tenga un intervalo de viscosidad de 50-400 cps a 100ºC y que sea compatible con la matriz termoplástica. Por ejemplo, se usaría un formador de película tal como policaprolatona miscible con un compuesto de moldeo tal como nailon 66. Los agentes de acoplamiento pueden ser cualesquier que sean compatibles con los formadores de película seleccionados. Por ejemplo, serían agentes de acoplamiento compatibles con formadores de película policaprolatona, varios silanos aminofuncionales. Además, el formador de película puede ser cualquier formador de película según se ha discutido antes, con la característica adicional de que tenga un peso molecular suficientemente bajo, que la viscosidad del revestimiento de la composición sea inferior a 500 cps cuando se aplica de manera que se evite exceso de adherencia y tensión. Los formadores de película adecuados son miscibles con el polímero a reforzar, siendo preferido uno que tenga un peso molecular inferior a 8.000.

Los polvos de alto peso molecular adecuados tienen un peso molecular que varía de 12.000 a 65.000, teniendo los polvos preferidos un peso molecular de 18.000 a 50.000. Además, el polvo preferido se polar y no funde o disuelve en el dispositivo aplicador. Además, el diámetro de la partícula de polvo debe ser suficientemente pequeña para que pase a través de la bomba dosificadora usada para aplicar la cola. Debe escogerse un diámetro de partícula que sea menor que el diámetro de la fibra. En una realización preferente, el diámetro de partícula es de aproximadamente 6,35 mm a aproximadamente 19,05 mm el diámetro de la fibra. Un polvo particularmente preferido es Orgasol 2001 NAT UD, con u peso molecular en torno a 18.000 y un diámetro de partícula de 5 micrómetros. Entre otros polvos adecuados están incluidos los obtenidos por cualquier procedimiento que de por resultado una partícula fina de nailon que tienda a tener bastantes grupos básicos necesarios para que se adhiera a la superficie de las fibras ácidas.

Por lo general, los agentes de acoplamiento adecuados para la composición no acuosa de encolado tendrán grupos etoxi hidrolizables o silicio, dado que, en general, los que tienen un grupo metoxi dan un material más peligroso cuando se hidrolizan. Además, los agentes de acoplamiento se escogen entre los que evitan reacciones químicas secundaria significativas.

El procedimiento de la invención requiere: (a) revestir los filamentos de vidrio con una composición de encolado que comprende uno o más formadores de película miscibles con el polímero a reforzar; uno o más agentes de acoplamiento, y uno o más polvos de alto peso molecular; (b) cortar las mechas de fibras de vidrio para formar segmentos de mecha cortados; y (c) curar los pelets en un lecho fluidizado o un horno vibratorio tal como un horno Cratec. Los pelets se calientan justo por encima de la temperatura de fusión del polvo de manera que pueda fluir entre las mechas. Típicamente esto da por resultado un pelet sólido cilíndrico.

Una vez formada, la mecha se corta en longitudes de aproximadamente 3,18 mm a 31,8 mm. En el proceso se puede usar cualquier medio adecuado conocido e al técnica para cortar mechas de fibras de vidrio a las longitudes indicadas. Entre los dispositivos adecuados de corte de fibras está incluido el Conair-Jetro modelo #204T 90060, Bay City, Michigan.

El secado se puede hacer de cualquier manera conocida en la técnica. Sin embargo, con el fin de reducir el tiempo de secado a un nivel aceptable para la producción comercial en masa, se prefiere secar las fibras a elevada temperatura, de aproximadamente 120ª a 294ºC, en un horno de lecho fluidizado tal como un horno Cratec.

Ejemplo 1 Cola no acuosa que contiene polvos de alto peso molecular

Las fórmulas de las colas para este ejemplo se designan "A", "B" y "C" y se indican seguidamente: Los copolímeros líquidos AC1702 y Trilene 4038 se obtuvieron de Uniroyal. Los formadores de película o ceras, Vybar 260, se obtuvieron de Petrolite.

A	% en peso
AC 1802	73,5
Vybar 825	24,5
A1100	2,0

B	% en peso
Trilene 4038	53,9
Vybar 260	44,1
A1100	2,0

C	% en peso
Poliéster alquídico "C"	49,9
Tone 0260	49,0
A1100	2,0

El poliéster alquídico "C" se preparó como sigue:

TABLA 1 Caracterización del poliéster alquídico "C" Materiales de partida

1. Bisfenol A propoxilado

2. Anhídrido maleico

Composición del poliéster "C"

Monómeros en el poliéster
1. Ácido maleico	0,4% en peso
2. Ácido fumárico	0,04% en peso
3. Bisfenol A propoxilado	34,3% en peso

	Detector de RI	Detector de UV
Peso molecular numérico medio, M_{n}	550	510
Peso molecular ponderal medio, M_{w}	620	600
Peso molecular Z medio, M_{Z}	750	710
Polidispersión, d	1,13	1,17

VOC, %	0,74
Índice de ácido	60,3
Viscosidad, ICI, cps	140

El TONE 0260 (caprolactama) se obtuvo de Unión Carbide y tiene la fórmula siguiente:

H\{O(CH_{2})_{5}C(=O)\}_{m}-O-R-O\{C(=O)(CH_{2})_{5}O\}_{m}H

Fórmula química de TONE 0260

La Tabla 2 da sus características.

TABLA 2

TONE 0260
Peso molecular	3000
Índice de ácidos, mg de KOH/g	0,09
Punto de fusión, ºC	50-60
Viscosidad, 55C, cps	1500
Número de hidroxilos, mg de KOH/g	37
VOC, %	0,29

El silano A-1100 se obtuvo de Osi Specialties y tiene la fórmula general y las características siguientes:

\gamma-aminopropiltrietoxisilano

H_{2}NCH_{2}CH_{2}CH_{2}Si(OEt)_{3}

Peso molecular	221,4
Gravedad específica	0,946
	Líquido transparente

Las formulaciones de encolado se prepararon y mezclaron el mismo día de la tanda de producción. Cada formulación pesaba en total aproximadamente 2,800 gramos. Todos los ingredientes menos el silano A1100 (obtenido de Osi Specialties) se fundieron y mezclaron íntimamente a una temperatura de 135ºC a 163ºC. La mezcla se enfrió por debajo de 121ºC, se añadió el silano A1100 y se mezcló íntimamente.

La operación de producción era prepara un filamento en T siendo la temperatura del dispositivo aplicador de 124ºC a 132ºC para las formulaciones A y C y de 143ºC a 152ºC para la formulación B. Después de la tanda del primer paquete, se añadieron los polvos al nivel deseado, se mezclaron y luego se sometieron al proceso de producción. El polvo añadido era Orgasol 2001 UD NAT 2 (obtenido de Elf Atochem) (diámetro 5 micrómetros; pa nailon 12; punto de fusión 185,6ºC). Las fórmulas A y C se procesaron con niveles de polvo de 0%, 5%, 10% y 15%. La fórmula B se procesó con 0%, 5% y 10% sólo.

Los paquetes tratados con varias formulaciones se procesaron a través de un horno en una pasada. Las formulaciones sin polvo se pasaron a través e un horno a 193ºC, mientras que las formulaciones que no contenían polvo se pasaron a través de un horno a 232ºC.

Se prepararon muestras mezcladas en seco que tenían 30% en peso de vidrio y 70% en peso de polímero. Luego se ensayaron piezas de fibra de vidrio de 12,7 mm de longitud en un ensayo "10 Second Litterfold Blend" para determinar si el vidrio mantenía su haz; el ensayo contempla también si hay una poca pelusa.

Puntuación según el ensayo de mezcla 10-second Littleford

		Horno Cratec	Puntuación de mezcla
C	0%	No	4,5
C	0%	193ºC	4,0
C	5%	193ºC-232ºC	3,5
C	15%	193ºC-232ºC	3,5

		Horno Cratec	Puntuación de mezcla
B	0%	No	3,5
B	0%	193ºC	4,0
B	5%	193ºC-232ºC	4,0
B	15%	193ºC-232ºC	4,5

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Escala \+  1 = pésimo\cr  \+  2 = óptimo\cr  \+ -3= mínimo
requerido\cr}

1

2

Claims

1. Una composición de encolado no acuosa para aplicación a fibras de vidrio de refuerzo, que comprende:

(a): uno o más formadores de película,

(b): uno o más agentes de acoplamiento y

(c): uno o más polvos de poliamida.

2. Una composición de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el formador de película es miscible con un polímero seleccionado entre nailon, polipropileno, poli(tereftalato de butileno), nailon 6, nailon 66, polipropileno químicamente acoplado, policarbonato, poli(sulfuro de fenileno), poliuretano termoplástico, acetal y polietileno de alta densidad (HDPE).

3. Una composición de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que el formador de película se selecciona entre ceras de alto peso molecular, ceras de bajo peso molecular, poliésteres alquídicos de bajo peso molecular, policaprolactonas y polipropilenos maleados de bajo peso molecular.

4. Una composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el agente de acoplamiento se selecciona entre 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano, 3-metacriloxipropiltrimetoxisilano y 3-aminopropiltrietoxi-silano.

5. Una composición de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que los polvos de poliamida son de alto peso molecular.

6. Un composición de acuerdo con la reivindicación 5, en la que el peso molecular es de 12.000 a 65.000.

7. Un composición de acuerdo con la reivindicación 5 o la reivindicación 6, en la que el polvo de poliamida es un polvo de nailon.

8. Una composición de acuerdo con la reivindicación 1 para aplicación a fibras de vidrio para reforzar nailon, en la que el formador de película es miscible con nailon y el polvo de poliamida es un polvo de nailon.

9. Una composición de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el formador de película se selecciona entre poliuretanos de bajo peso molecular, policaprolactonas, poliésteres y poliésteres insaturados.

10. Una composición de acuerdo con la reivindicación 8, en la que el formador de película es una policaprolactona y el agente de acoplamiento es un aminosilano.

11. Una composición de acuerdo con la reivindicación 1 para aplicación a fibras de vidrio para reforzar polipropileno, en la que el formador de película es miscible con polipropileno.

12. Una composición de acuerdo con la reivindicación 11, en la que el formador de película se selecciona entre ceras amorfas, ceras microcristalinas, polipropilenos maleados de bajo peso molecular y resinas de hidrocarburo.

13. Una composición de acuerdo con la reivindicación 11, en la que el formador de película es una cera amorfa, el agente de acoplamiento es un aminosilano y el polvo de poliamida comprende nailon.

14. Fibras de vidrio que tienen cubierta al menos una parte de su superficie con el residuo seco de una composición no acuosa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13.