NL1010640C2 - Velvormig voortbrengsel van een thermohardbaar harsmengsel en vezelvormig materiaal. - Google Patents

Description

- 1 -

5 VELVORMIG VOORTBRENGSEL VAN EEN THERMOHARDBAAR

HARSMENGSEL EN VEZËLVORMIG MATERIAAL

De uitvinding heeft betrekking op een 10 velvormig voortbrengsel omvattende vezelvormig materiaal en een thermohardbaar harsmengsel als matrix. De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor de vervaardiging van het voortbrengsel.

Een dergelijk velvormig voortbrengsel is 15 onder andere bekend uit EP-A-0304133. In EP-A-0304133 wordt een velvormig voortbrengsel beschreven van een thermohardbaar harsmengsel, in het bijzonder een aminoplast-formaldehyde harsmengsel, en vezelvormig materiaal in de vorm van een vlies of een mat met 20 vezels van 6-60 mm. Aan het vezelvormig materiaal wordt hierbij een middel toegevoegd om de erin aanwezige vezels bij elkaar te houden en de mat goed hanteerbaar te maken, bijvoorbeeld tijdens het impregneren van de vezels met het matrix materiaal.

25 Het bekende voortbrengsel volgens EP-A- 0304133 wordt doorgaans verwerkt tot eindproduct door één of meerdere velvormige voortbrengsels in een mal aan te brengen, waarna deze bij verhoogde temperatuur en druk worden geperst tot een eindproduct. Tijdens het 30 persen treedt vloei op van het voortbrengsel naar plaatsen in de mal waar het voortbrengsel niet werd 1 o 1 0640 - 2 - ingelegd. Persen waarbij tevens vloei van het materiaal optreedt, wordt ook wel vloeipersen genoemd. Deze vloei dient er voor te zorgen dat het vezelvormig materiaal goed verspreid wordt in het eindproduct. Een en ander 5 betekent dat tijdens het persen het vezelvormig materiaal moet worden meegevoerd met het vloeiende thermohardbaar harsmengsel.

Het bekende voortbrengsel volgens EP-A-0304133 heeft als nadeel dat de vloei tijdens 10 vloeipersen tot eindproduct onvoldoende is, zodat niet al het vezelvormig materiaal op de gewenste plaats in het product terecht komt. Hierdoor zijn de slagvastheid en de stijfheidseigenschappen op diverse plaatsen in het voortbrengsel te laag voor een aantal toepassingen 15 waarbij deformatie van het voorwerp voorkomen moet worden, zoals bijvoorbeeld bij autobumpers, behuizingen voor apparatuur e.d..

De onderhavige uitvinding stelt zich ten doel een velvormig voortbrengsel, omvattende een 20 thermohardbaar harsmengsel en vezelvormig materiaal te verschaffen, dat dit nadeel niet bezit.

Verrassenderwijs wordt dit bereikt door vezelvormig materiaal toe te passen dat in hoofdzaak bestaat uit vezels met een lengte groter dan 6 cm.

25 Als vezelvormig materiaal kunnen alle commercieel verkrijgbare vezels worden toegepast. Geschikte vezels zijn bijvoorbeeld koolstofvezels, staalvezels, glasvezels, metaal gecoate glas- of koolstofvezels, steenvezels, katoenvezels, vezels op 30 basis van hoog-georiënteerde thermoplasten zoals aramidevezels, polyamidevezels en cellulosevezels of 1 01 0640 - 3 - mengsels van deze vezels. Bij voorkeur worden staalvezels, glasvezels of koolstofvezels toegepast of mengsels hiervan. In het bijzonder worden koolstofvezels toegepast.

5 Door een vezelvormig materiaal te gebruiken volgens de uitvinding wordt een velvormig voortbrengsel verkregen dat uitermate geschikt is om te worden verwerkt door middel van vloeipersen.

Bij voorkeur wordt het velvormig 10 voortbrengsel volgens de uitvinding gekenmerkt doordat het vezelvormig materiaal een mat omvat. Deze mat kan zowel een isotrope als een anisotrope mat zijn.

Met een isotrope mat wordt een mat bedoeld waarin de richting van de vezels geen regelmaat 15 vertonen, maar een random richtingsverdeling vertonen. Indien een isotrope koolstofvezel mat wordt toegepast, dienen minimaal 60 gew.% van de koolstofvezels en bij voorkeur minimaal 80 gew.% van de koolstofvezels een minimale lengte te bezitten van 6 cm. De maximale 20 lengte van de koolstofvezels wordt bepaald door de maximale afmetingen van de mat. Experimenteel onderzoek heeft aangetoond dat bij koolstofvezels de lengte van de vezels versus de te bereiken mechanische eigenschappen een optimuum vertonen vanaf een 25 vezellengte van 6 cm.

Met een anisotrope mat wordt een mat bedoeld waarbij de richting van de vezels een zekere ordening vertonen. De vezels kunnen bijvoorbeeld gegroepeerd zijn in bundels die elkaar kruisen, 30 bijvoorbeeld loodrecht. Ook is het mogelijk dat de mat is opgebouwd uit evenwijdige vezelbundels welke al dan 1010640 - 4 - niet ten opzichte van elkaar verschoven zijn. In het geval van anisotrope koolstofvezel matten is hierbij minimaal 60 gew.% ( bij voorkeur minimaal 80 gew.% van de vezels langer dan 6 cm. In het bijzonder worden bij 5 anisotrope matten continue vezels toegepast. Met continue vezels wordt bedoeld, vezels in hoofdzaak met een lengte groter dan de grootste breedte van de mat.

De maximale lengte van de koolstofvezels wordt hierbij bepaald door de maximale afmetingen binnen de 10 koolstofvezel mat.

Het kan bij zowel isotrope als anisotrope matten van voordeel zijn een kleine hoeveelheid kortere vezels korter dan 6 cm, bij voorkeur korter dan 4 cm, in het bijzonder korter dan 2 cm in het velvormig 15 voortbrengsel op te nemen om een nog betere vezelverdeling op nokken, richels en randen te verkrijgen. Bij voorkeur wordt kleiner dan 20 gew.% koolstofvezels met een lengte kleiner dan 6 cm toegepast.

20 De bij de onderhavige uitvinding toegepaste matten kunnen bijvoorbeeld op de volgende wijze worden vervaardigd.

In het geval van een isotrope mat, kunnen de vezels (bijvoorbeeld zogenaamde chopped fibers) op 25 verschillende manieren met elkaar verbonden worden, teneinde de mat mechanische konsistentie te geven. Met chopped fibers wordt bedoeld vezels die via hakken van een bundel continue draden (filamenten) worden verkregen met bijvoorbeeld een lengte van minimaal 6 30 cm. Bijvoorbeeld kan het vervaardigen van een isotrope mat gebeuren door de vezels met de gewenste lengte via 1010640 - 5 - stikken met een draad aan elkaar te zetten. De draad kan bijvoorbeeld een polyesterdraad, een glasdraad of een koolstofdraad zijn. Het is ook mogelijk om een laagsmeltend polymeer als draad te gebruiken, zoals 5 bijvoorbeeld PE of PP. Bij voorkeur wordt een draad toegepast die bij de verwerkingstemperatuur week wordt.

De chopped fibres kunnen ook door het opbrengen van een binder aan elkaar geplakt worden. Bij voorkeur worden binders toegepast die verweken bij de 10 verwerkingstemperatuur. De toegepaste hoeveelheid binder ligt doorgaans tussen 1 en 5 gew.% ten opzichte van de hoeveelheid vezel. Ook is het mogelijk dat de binder op een drager is aangebracht.

Naast isotrope matten bestaande uit 1 type 15 vezel, kunnen ook matten die uit meerdere vezeltypen bestaan, zeer goed gebruikt worden in deze uitvinding. Voorbeelden zijn een mat die bestaat uit koolstofvezels en glasvezels, glasvezels en staalvezels of aramide en polyestervezels.

20 In het geval van anisotrope matten, worden de vezels eveneens bijvoorbeeld via stikken met elkaar verbonden. Bij anisotrope matten opgebouwd uit evenwijdige vezelbundels kan dit stikken plaatsvinden bijvoorbeeld loodrecht op de vezelrichting. Dezelfde 25 stik middelen als beschreven bij de isotrope matten kunnen gebruikt worden. Ook kunnen de vezels in dit geval met dezelfde typen binders als beschreven bij de isotrope matten aan elkaar geplakt worden. Mengsels van vezeltypen is ook hier mogelijk, daarnaast kunnen de 30 matten ook bestaan uit een mengsel van Oneindig lange' vezels in l of meerdere richtingen, gekombineerd met 1 o 1 0640 - 6 - random chopped fibres zoals bijvoorbeeld koolstof UD (= unidirectioneel) in kombinatie met random chopped glas.

Het oppervlaktegewicht van het vezelvormig materiaal kan binnen brede grenzen worden gekozen.

5 Geschikte oppervlakte-gewichten zijn bijvoorbeeld gelegen tussen 10 en 2000 g/m2. Bij voorkeur wordt een oppervlakte-gewicht toegepast tussen 150 en 700 g/m2. Hierdoor wordt een optimale combinatie van impregneergedrag en vloeieigenschappen verkregen.

10 De thermohardbare hars in het velvormig voortbrengsel volgens de uitvinding kan in principe elke thermohardbare hars zijn. De voordelen van het voortbrengsel volgens de uitvinding komen met name tot uiting wanneer het thermohardbaar harsmengsel een hars 15 bevat gekozen uit de groep van aminoplast-formaldehyde en/of fenol-formaldehyde harsen. Bijzonder geschikte thermohardbare harsen zijn de aminoplast-formaldehyde harsen. Voorbeelden van dergelijke harsen zijn die welke als aminoplast ureum, melamine of benzoguanamine 20 bevatten. Bij voorkeur wordt melamine toegepast vanwege superieure mechanische eigenschappen, vlamwerende eigenschappen en oppervlakte eigenschappen zoals krasvastheid en geslotenheid van het oppervlak (vuilwerend) en inkleurbaarheid.

25 De aminoplast-formaldehyde hars kan op een voor de vakman bekende wijze worden vervaardigd door reactie van een aminoplast en formaldehyde in water. De verhouding van bijvoorbeeld formaldehyde en melamine ligt normaal gesproken tussen 1,3 en 2,5, bij voorkeur 30 tussen 1,5 en 2,0. Ook is het mogelijk plasticizers toe te voegen zoals bijvoorbeeld sorbitol, e-caprolactam, 1010640 - 7 - ethyleenglycol, trioxitol, tolueensulfonamide, en benzoen acetoguanamine.

Het velvormig voortbrengsel volgens de uitvinding kan eveneens allerlei vulstoffen bevatten.

5 Deze vulstoffen zijn dezelfde als de gebruikelijke vulstoffen voor velvormige voortbrengsels op basis van bijvoorbeeld onverzadigde polyesterhars. Als vulstoffen worden bijvoorbeeld kalk, calcium-carbonaat, klei, koolstofdeeltjes, silica en/of metaaldeeltjes 10 toegepast. Voorts kan het velvormig voortbrengsel nog katalysatoren, lossingsmiddelen, kleurstoffen en andere gebruikelijke toeslagstoffen bevatten.

Praktisch goed toepasbare mechanische eigenschappen worden bereikt indien men 5-45 vol.% 15 vezelvormig materiaal toepast en 95-55 vol.% harsmengsel. Meer in het bijzonder wordt bij voorkeur 10-40 vol.% vezelvormig materiaal en 90-60 vol.% harsmengsel toegepast.

Het velvormig voortbrengsel op basis van 20 koolstofvezels volgens de uitvinding heeft als extra voordeel dat dezelfde mechanische eigenschappen kunnen worden bereikt als in het bekende voortbrengsel bij lagere gehaltes aan vezelvormig materiaal in het voortbrengsel en bij een lager gewicht van het 25 vormdeel.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor de vervaardiging van een velvormig voortbrengsel waarbij vezelvormig materiaal volgens de uitvinding, zoals hierboven beschreven, wordt 30 geïmpregneerd met een in water opgelost thermohardbaar 1010640 - 8 - harsmengsel en het verkregen geïmpregneerde materiaal wordt gedroogd.

De hoeveelheid harsmengsel die toegepast wordt per m2 vezelvormig materiaal is eenvoudig aan te 5 passen door met behulp van bijvoorbeeld walsen harsmengsel te verwijderen. Door aanpassing van de viscositeit van het waterige harsmengsel kan ook meer of minder op het vezelvormig materiaal worden aangebracht. Zoals hierboven beschreven kan ook het 10 oppervlakte-gewicht van het vezelvormig materiaal de hoeveelheid opgenomen harsmengsel bepalen.

Na de impregneringsstap moet, om een droog velvormig voortbrengsel te verkrijgen het water grotendeels worden verwijderd. Te veel water kan poriën 15 veroorzaken in het uiteindelijke product, wat de mechanische eigenschappen negatief beïnvloedt. Het verwijderen van het water kan eenvoudig gebeuren in een oven, waar het velvormig voortbrengsel doorheen wordt getrokken.

20 De na droging verkregen velvormige voortbrengsels kunnen zeer eenvoudig tot produkten worden verwerkt door middel van vloeipersen. De toegepaste druk ligt doorgaans tussen 10 en 200 bar, bij voorkeur tussen 30 en 130 bar. De gebruikelijke 25 perstemperatuur, die tevens zorgt voor de uitharding van de thermohardbare hars, ligt tussen 80-250eC, bij voorkeur tussen 130-190°C.

De verkregen produkten vertonen zeer goede mechanische eigenschappen door de uitstekende vloei van 30 het voortbrengsel volgens de uitvinding tijdens het vloeipersen. Typische mechanische eigenschappen bij een 1010640 - 9 - totaal koolstofvezel-gehalte van 10-40 vol.% en koolstofvezel-lengtes voornamelijk groter dan 6 cm, bij meiamineformaldehyde hars als matrix zijn : treksterkte (ISO 178) van 200-1000 MPa, buigmodulus (ISO 178) van 5 15-100 GPa en een slagvastheid (ISO 179) van 20-60 KJ/m2.

De velvormige voortbrengsels kunnen bijzonder goed worden toegepast bij de vervaardiging van grote vormdelen met bijvoorbeeld ribben en nokken 10 zoals stoelschalen, behuizingen, armaturen, carrosserie-onderdelen voor vrachtwagens en automobielen. De bijzonder goede mechanische eigenschappen bij een laag gewicht van de vervaardigde vormdelen, chemicaliën bestendigheid, 15 temperatuurbestandheid, hoge temperatuur vormvastheid en krasvastheid van het voortbrengsel zijn dan van groot voordeel.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de volgende voorbeelden zonder daartoe 20 beperkt te zijn.

Voorbeeld I

Bereiding hars 25 In een reactor werd aan 100 delen melamine, 5 delen caprolactam, 24 delen water en 135 delen formaline (30 % formaldehyde in water met een pH van 9,4) toegevoegd. De condensatiereactie werd bij 95°C uitgevoerd, totdat de verdunbaarheid bij 20°C van de 30 hars 1,2 kg hars per kg water bedroeg. De formaldehyde/melamine verhouding was 1,7.

1 n 1 n r 4 o - 10 -

Bereiding velvormia voortbrengsel

In een bladroerder werden aan 100 delen van de hierboven bereide hars (bestaande uit 55 gew.% vaste 5 stof en 45 gew.% water) en 0,45 delen paratolueensulfonzuur (50 gew.% vaste stof) toegevoegd. Er werd geroerd tot een homogeen mengsel werd verkregen. De viscositeit werd ingesteld op 2,5 Pa.s (Brookfield bij 20°C).

10 Het harsmengsel werd in een bad van een impregneermachine van het type VITS® (model LIA) gedaan. Een koolstofvezelmat met een oppervlaktegewicht van 290 g/m2 ( +45°/-45° (50/50) weefsel, 15 gew.% kortvezelig (< 2 cm) materiaal bevattend), werd door 15 het bad met harsmengsel geleid. Overtollig harsmengsel werd verwijderd door de geïmpregneerde koolstofvezelmat tussen twee walsen met een doorlaatopening van circa 1 mm te leiden. De geïmpregneerde koolstofvezelmat werd vervolgens gedurende circa 10 min. door een oven bij 20 een temperatuur van 130 °C geleid. Het resterende watergehalte bedroeg 4,5 gew%. Het gemiddeld koolstofvezelgehalte bedroeg 18 vol.%.

Verwerking tot eindproduct 25 Vier lagen velvormig voortbrengsel van 18x18 cm, zoals hierboven verkregen, werden op elkaar gelegd en in een persmal bij een temperatuur van 150°C en een druk van 100 bar verperst. De gebruikte pers was een 360 ton parallel gestuurde pers, afkomstig van de 30 firma Hoesch te Duitsland. De sluitsnelheid van de persplaten tijdens het persen bedroeg 3 mm/sec. Tijdens 1010640 - 11 - het persen werd de benodigde kracht gemeten voor vloei van de stapel velvormige voortbrengsels. Deze kracht (de vloeikracht) wordt gedefinieerd als het eerste maximum in een kracht-verplaatsingcurve, opgenomen bij 5 een constante sluitsnelheid. De vloeikracht bedroeg 478 kN.

De verdeling van de koolstofvezels over de geperste voorwerpen was uitstekend. Dit duidt op een uitstekende vloei tijdens het persen.

10 Er werden uit de verkregen platen proefmonsters gezaagd voor buigproeven (ISO 178), trekproeven (ISO 178) en Charpy slagvastheid (ISO 179). De volgende mechanische eigenschappen werden gemeten: een buigsterkte van 380 MPa, een stijfheidsmodulus van 15 27 GPa en een Charpy slagvastheid van 29 KJ/m2.

Vergelijkend voorbeeld A

Op dezelfde wijze als in Voorbeeld I werd een melamine formaldehyde hars bereid met dezelfde 20 samenstelling als in Voorbeeld I.

In een bladroerder werden vervolgens aan 100 delen hars (bestaande uit 55 gew.% vaste stof en 45 gew.% water) 110 delen CaC03 en 0,45 delen paratolueensulfonzuur (50% vaste stof) toegevoegd. Er 25 werd geroerd tot een homogeen mengsel werd verkregen.

De viscositeit werd ingesteld op 2,5 Pa.sec (Brookfield bij 20°C).

Het harsmengsel werd in een bad van een impregneermachine van het type VITS® (model LIA) 30 gedaan. Een niet-geweven glasvezelmat (oppervlaktegewicht 300 g/m2) met een binder op basis 1010640 - 12 - van polyvinylalcohol (MatlorÖ 5133-32 afkomstig van de firma Lorcet te Frankrijk) werd door het bad met harsmengsel geleid. Overtollig harsmengsel werd verwijderd door de geïmpregneerde glasvezelmat tussen 5 twee walsen met een doorlaatopening van 1 mm te leiden. De geïmpregneerde glasvezelmat werd vervolgens gedurende 5 min. door een oven op een temperatuur van 140°C geleid. Het resterende watergehalte bedroeg 2 gew%. Het gemiddeld glasvezelgehalte bedroeg 20 gew.-%. 10 Vervolgens werd op dezelfde wijze als beschreven in Voorbeeld II een 3 mm dikke plaat vervaardigd. De op dezelfde wijze als beschreven in Voorbeeld II bepaalde vloeikracht bedroeg 1380 kN.

Het bekende velvormig voortbrengsel 15 vertoont derhalve een veel slechtere vloei dan het velvormig voortbrengsel volgens de uitvinding aangezien de voor vloei van het voortbrengsel benodigde perskracht bijna driemaal zo hoog is.

1 01 0640

Claims (14)

1. Velvormig voortbrengsel omvattende vezelvormig 5 materiaal en een thermohardbaar harsmengsel als matrix, met het kenmerk, dat vezelvormig materiaal wordt toegepast dat in hoofdzaak bestaat uit vezels met een lengte groter dan 6 cm.

2. Velvormig voortbrengsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als vezelvormig materiaal koolstofvezels worden toegepast.

3. Velvormig voortbrengsel volgens één der conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat het 15 vezelvormig materiaal een mat omvat.

4. Velvormig voortbrengsel volgens 3, met het kenmerk, dat het vezelvomige materiaal een isotrope mat omvat.

5. Velvormig voortbrengsel volgens 4, met het 20 kenmerk, dat een isotrope koolstofvezelmat wordt toegepast waarbij minimaal 60 gew.% van de koolstofvezels een lengte bezitten groter dan 6 cm.

6. Velvormig voortbrengsel volgens conclusies 3, met 25 het kenmerk, dat het vezelvormig materiaal een anisotrope mat omvat.

7. Velvormig voortbrengsel volgens conclusies 6, met het kenmerk, dat een anisotrope koolstofvezelmat wordt toegepast waarbij minimaal 60 gew.% van de 30 koolstofvezels een lengte bezitten groter dan 6 cm. 1010640 - 14 -

8. Velvormig voortbrengsel volgens één der conclusies 1-7, met het kenmerk, dat tevens minder dan 20 gew.% koolstofvezels worden toegepast met een lengte kleiner dan 6 cm.

9. Velvormig voortbrengsel volgens één der conclusies 1-8, met het kenmerk, dat het oppervlakte-gewicht van het vezelvormig materiaal gelegen is tussen 150 en 700 g/m2.

10. Velvormig voortbrengsel volgens één der 10 conclusies 1-9, met het kenmerk, dat als thermohardbaar harsmengsel aminoplast-formaldehyde harsen worden toegepast.

11. Velvormig voortbrengsel volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat als aminoplast melamine wordt 15 toegepast.

12. Werkwijze voor de vervaardiging van een velvormig voortbrengsel waarbij vezelvormig materiaal zoals beschreven in conclusies 1-11 wordt geïmpregneerd met een in water opgelost thermohardbaar 20 harsmengsel en het verkregen geïmpregneerde materiaal wordt gedroogd.

13. Product verkregen met behulp van een voortbrengsel volgens één der conclusies 1-12 met een buigmodulus van 15-100 GPa een buigsterkte 25 van 200-1000 MPa en een slagvastheid van 20-60 KJ/m2.

14. Werkwijze, voortbrengsel en/of product zoals in hoofdzaak beschreven en toegelicht in de voorbeelden en de beschrijvingsinleiding. 1 0 1 0640 SAMENWERKINGSVERDRAG (PCT) RAPPORT BETREFFENDE NIEUWHEIDSONDERZOEK VAN INTERNATIONAAL TYPE IDENTIFIKA7IE VAN OE NATIONALE AANVRAGE Kenmerk van da aanvrager ol van de gemachtigde 9751NL NederlandJi aanvrage nr. Indieningsdatum 1010640 24 november 1998 Ingeroepen voorrangsdatum Aanvrager ÏNaamï ( . DSM N.V. Datum van het verzoek voor een onderzoek van internationaal type Door de Instantie voor Internationaal Onderzoek (ISA) aan het ver- loek voot een onderzoek van internationaal type toegekend nr. SN 32215 NL I. CLASSIFICATIE VAN HET ONDERWERP (bij toepassing van verschillende classificaties.alle classificatiesymbolen opgeven) Volgen» de International# claaificatie (IPC) Int. Cl.6: C 08 J 5/04, C 08 J 5/24, B 32 B 27/04,// C 08 L 61:20 II. ONDERZOCHTE GEBIEDEN VAN DE TECHNIEK Onderzochte minimum documentatie Clauifieatieiyjteem Claiiificatiejvmbolen Int. Cl.6 C 08 J, B 32 B Onderzochte andere documentatie dan de minimum documentatie voor zover dergeiijka documenten in de onderzochte gebieden zijn oogenomen Ut | 1 GEEN ONDERZOEK MOGELIJK VOOR BEPAALOE CONCLUSIES (opmerkingen op aanvullingsblad) IV. | 1 GEBREK AAN EENHEID VAN UITVINDING (opmerkingen op aanvullingsblad) fiorm PCT/ISa/JOHi) 07. Ï979