DE3686404T2

DE3686404T2 - Flexibles aus verschiedenen bestandteilen zusammengesetztes material und verfahren zu dessen herstellung.

Info

Publication number: DE3686404T2
Application number: DE8686309517T
Authority: DE
Inventors: Jiro Ichikawa; Takao Nakagawa; Hiroyuki Uchino; Mihoko Yamashita
Original assignee: Fuji Standard Research Inc; Across Co Ltd; Fuji Oil Co Ltd
Current assignee: Fuji Standard Research Inc; Across Co Ltd; Fuji Oil Co Ltd (fka Fuji Oil Holdings Inc)
Priority date: 1985-12-09
Filing date: 1986-12-05
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2006-12-06
Also published as: US5076872A; EP0226420A2; US4770915A; DE3686404D1; EP0226420A3; JPH064246B2; EP0226420B1; JPS62135537A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein biegsames Verbundmaterial zur Verwendung beim Formen von Verbundartikeln sowie auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger Materialien.
Ein wohlbekanntes Verbundmaterial mit Aussteifungsfasern, beispielsweise Kohlefasern, ist eine Vorimprägnierung in Form eines Bands oder eines gewebten Tuchs, gebildet durch Beschichten einer Lösung eines duroplastischen Harzes oder eines niederviskosen, geschmolzenen duroplastischen Harzes auf einem Seil oder einem gewebten Tuch von Aussteifungsfasern oder durch Bedecken des Seils oder des gewebten Tuchs mit der Lösung oder dem niederviskosen, geschmolzenen Material. Eine derartige Vorimprägnierung hat eine äußerst hohe Anhaftung und eine niedrige Biegsamkeit, so daß es Probleme bei der Handhabung und Weiterverarbeitung gibt. Ein Band eines Kohlefasern enthaltenden thermoplastischen Harzes, hergestellt durch Extrudieren eines Kohlefaserbands, wobei ein thermoplastisches Harz mit einem hohen Schmelzpunkt imprägniert wird, ist ebenfalls bekannt; ein derartiges, Kohlefasern enthaltendes Band ist jedoch im Zustand einer äußerst steifen Platte, so daß es Schwierigkeiten bei der Bildung von gewebten Tuchen geben kann, und im übrigen kann es nicht dem Streckformverfahren mittels Formen mit komplexen Konturen unterworfen werden.
Um die oben genannten Nachteile zu überwinden, ist kürzlich ein kontinuierliches Faserseil vorgeschlagen worden (Europäische Veröffentlichungen Nr. 156599A und 156600A), das aus einer engen Mischung von etwa 90 bis 30 Volumenprozent gesponnener Fasern eines Thermoplastpolymers und etwa 10 bis 70 Volumenprozent Kohlefasern oder nicht-thermoplastischer Aussteifungsfasern, jeweils auf den Gesamtfasergehalt bezogen, gebildet wird; und ein biegsames Verbundmaterial (Europäische Veröffentlichung Nr. 133825A), das durch Bedecken grober, durch ein thermoplastisches Harzpulver imprägnierter Fasern mit einem biegsamen Deckmaterial gebildet wird. Diese Verbundmaterialien sind für die Streckformverfahren mittels Formen mit komplexen Konturen bezüglich ihrer Biegsamkeit geeigneter als die bekannten, Kohlefasern enthaltenden thermoplastischen Harzbänder; dennoch haben sie noch Nachteile, die im folgenden beschrieben werden.
Das kontinuierliche Faserseil kann einerseits auf seiner Oberfläche Fransen aufweisen, so daß der Prozeß des Tuchwebens behindert wird. Dies führt auch zur Bildung einer großen Zahl von Fransen auf dem fertiggewebten Tuch, wodurch es schwierig ist, gewebte Tuche von praktischem Wert zu erzielen. Weiterhin werden die Kohlefasern, die auf der Oberfläche des Verbundmaterials zugänglich sind, bei der Handhabung leicht zerstört und werden fransig. Darüberhinaus hat das Verbundmaterial den weiteren Nachteil, daß die Eigenschaften der daraus gebildeten Formteile beeinträchtigt sind, da die thermoplastischen Harzfasern der Atmosphäre ausgesetzt sind, so daß Luft und Feuchtigkeit durch die Räume zwischen den Fasern treten können.
Das biegsame Verbundmaterial nach der EP-A-133825 andererseits beinhaltet die Schwierigkeit der genauen Bestimmung der Mischungsverhältnisse der Aussteifungsfasern und der thermoplastischen Harzpulver, da die thermoplastischen Harzpulver an den groben, eine verflüssigte Schicht etc. verwendenden Fasern (Aussteifungsfasern) anhaften, so daß die Eigenschaften der endgültigen Formteile nicht gleichförmig werden. Dies hat das Problem zur Folge, daß die Materialeigenschaften instabil sind. In Fällen, wo das Verbundmaterial in Form von kurz geschnittenen Stücken verwendet wird oder es in einer derartigen Form zu Tuch gewebt wird, besteht die Schwierigkeit, daß die Harzpulver in der Hülse beim Schneiden verstreut werden, so daß die quantitativen und gleichförmigen Eigenschaften als Verbundmaterial beeinträchtigt werden und die Arbeitsumgebung verschlechtert wird. Weiterhin wird beim Herstellen des Verbundmaterials ein äußerst schwieriger Schritt der Herstellung von pulverförmigen Partikeln benötigt, um durchschnittliche Partikelgrößen der pulverförmigen Partikel in einen bestimmten Bereich zu definieren, um einen stabilen verflüssigten Zustand der verflüssigten Schicht aufrechtzuerhalten. Dies erhöht die Herstellkosten. Da grobe Fasern verwendet werden, ist es schwer, die groben Fasern fest an das biegsame Deckmaterial zu binden, was zum leichten Eintritt von Luft in das Verbundmaterial und somit zu einer Verschlechterung der Materialeigenschaften der endgültigen Formteile führt. Es besteht auch das Problem, daß die Entfernung von Luft aus der Hülse schwierig ist, da dies zu einer Wanderung der pulverförmigen Partikel führt, wodurch die quantitativen und gleichförmigen Eigenschaften der endgültigen Formteile negativ beeinflußt werden.
Die GB-A-1290781 (und ihr französisches Gegenstück FR- A-2028162) offenbart ein kunststoffbeschichtetes Gewinde für die Herstellung eines Siebs oder Gitters bei einer Papierherstellmaschine, das einen Multi-Faser- Kern enthält, der mit einem thermoplastischen Harz beschichtet ist. Es wird ausgeführt, daß die Fasern des Kerns "aus unbehandelten oder behandelten, beispielsweise mit einer dünnen Schicht versehenen, synthetischen Fasern, z. B. Polyesterfasern, oder aus künstlichen oder natürlichen Fasern oder anorganischen Fasern, z. B. Glasfasern, oder aus einer Mischung derartiger Fasern bestehen können".
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges biegsames Verbundmaterial zu schaffen, das die Mischung von Aussteifungsfasern und thermoplastischen Harzfasern bei der Herstellung des Verbundmaterials in einer quantitativen und gleichförmigen Rate erlaubt und das in äußerst vorteilhafter Weise verarbeitet werden kann, was zur Bildung von Formteilen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und so weiter führt. Die vorliegende Erfindung hat weiterhin zum Ziel, ein Verfahren zum Herstellen biegsamer Verbundmaterialien in industriell günstiger Weise zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher ein biegsames Verbundmaterial vorgesehen, das einen Kern (1), welcher im wesentlichen aus einer gleichförmig verteilten Mischung aus thermoplastischen Harzfasern (3) und Aussteifungsfasern (4) zusammengesetzt ist, und eine biegsame Hülse (2) umfaßt, welche aus einem thermoplastischen Harz besteht und den Kern (1) ummantelt, wobei die thermoplastischen Harzfasern (3) bei einer Temperatur schmelzen, bei der die Aussteifungsfasern (4) fest bleiben und eine Denier-Zahl nicht größer als 3 haben.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung biegsamer Verbundmaterialien mit den folgenden Schritten:
(a) Verwendung von thermoplastischen Harzfasern (3) und Aussteifungsfasern (4), wobei die thermoplastischen Harzfasern (3) bei einer Temperatur schmelzen, bei der die Aussteifungsfasern (4) fest bleiben und eine Denier-Zahl nicht größer als 3 haben;
(b) enge Mischung von thermoplastischen Harzfasern (3) und Aussteifungsfasern (4);
(c) Zusammensetzung der gemischten Fasern, um einen Kern (1) zu erhalten; und
(d) Pressung eines thermoplastischen Harzes über den Kern (1), um eine Hülse (2) zur Ummantelung des Kerns (1) zu bilden.
Das biegsame Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt, daß das Mischungsverhältnis der Aussteifungsfasern und der thermoplastischen Harzfasern frei und quantitativ bestimmt wird, anders als beim Fall, daß ein thermoplastisches Harz in Form von Pulver benutzt wird, da die Mischung als Kernmaterial verwendet wird und eine biegsame Hülse aus thermoplastischem Material um das Kernmaterial vorgesehen wird. Da das resultierende Gemischfaserbündel in seiner Biegsamkeit, Qualität und Gleichförmigkeit besser ist, kann das biegsame Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung Formteile mit besseren mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und so weiter liefern.
Weiterhin ist das biegsame Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer biegsamen Hülse versehen, welche aus einem thermoplastischen Harz um den Kern besteht, wie oben beschrieben, so daß Luft oder Feuchtigkeit am Eindringen in das biegsame Verbundmaterial gehindert werden, wodurch eine bemerkenswerte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der endgültigen Formteile erzielt wird. Das biegsame Verbundmaterial bewirkt keine Fransen an seiner Oberfläche, und es werden keine Aussteifungsfasern darauf zugänglich, so daß ein Tuchwebschritt und die Handhabung leicht werden, wodurch keinerlei Schaden an den Aussteifungsfasern in den resultierenden Tuchen, gewebten Tuchen etc. und eine äußerst gute Weiterverarbeitung bewirkt wird. Diese bemerkenswerten Ergebnisse resultieren aus dem Aufbau des biegsamen Verbundmaterials, d. h. mit einem Kern, bestehend aus einer Mischung von Aussteifungsfasern und thermoplastischen Harzfasern, ummantelt von einer biegsamen thermoplastischen Hülse.
Auf der anderen Seite ist es in Fällen, wo anstelle der thermoplastischen Harzfaser ein thermoplastisches Harz in Form von Pulvern eingesetzt wird, schwierig, eine Mischrate der Aussteifungsfasern und der thermoplastischen Harzfasern zu quantifizieren, so daß dann ein Verbundmaterial von hoher Qualität und Gleichförmigkeit nicht hergestellt werden kann. Wenn ein derartiges Verbundmaterial geschnitten wird, werden die darin enthaltenen Pulver entfernt, so daß die quantitativen Eigenschaften weiter beeinträchtigt werden und eine Verschlechterung der Arbeitsumgebung sowie eine Erhöhung der Herstellkosten bewirkt wird.
In Fällen, wo das Bündel der Aussteifungsfasern und der thermoplastischen Harzfasern nicht von einer Hülse ummantelt ist, wird das Gemischfaserbündel direkt der Luft ausgesetzt, so daß Luft in die Räume zwischen den Fasern dringt und die Eigenschaften der endgültigen Formteile minderwertig werden, was zur Herstellung von instabilen und nicht-gleichförmigen Formteilen führt. Da weiterhin derartige Verbundmaterialien eine bemerkenswerte Anzahl von Fransen bewirken können und die Aussteifungsfaser dann auf der Oberfläche zugänglich wird, kann die Weiterverarbeitung äußerst schlecht werden.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht, teilweise geschnitten, die schematisch ein biegsames Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zur Herstellung des Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneten Vorrichtung.
In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Gemischfaserbündel oder einen Kern, ummantelt von einer thermoplastischen Harzhülse 2. Der Gemischfaserkern 1 ist aus thermoplastischen Harzfasern 3 und Aussteifungsfasern 4 zusammengesetzt. Die Fäden der beiden Fasern 3 und 4 sind im wesentlichen kontinuierlich und sind im wesentlichen gleichförmig in der zur Achse des Kerns 1 senkrechten Ebene verteilt.
Die Menge der thermoplastischen Harzfasern 3 und der Aussteifungsfasern 4 im Kern kann je nach Zweck und Einsatzart des biegsamen Verbundmaterials variieren und kann vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis etwa 89 Volumenprozent bzw. von etwa 99 bis etwa 11 Volumenprozent liegen, bezogen auf den Gesamtfasergehalt. Falls die Mischungsverhältnisse der thermoplastischen Harzfasern 3 zu den Aussteifungsfasern 4 unterhalb diesem Bereich liegen, kann es schwierig werden, Formteile von hoher Qualität und Gleichförmigkeit herzustellen. Falls das Mischungsverhältnis obigen Bereich überschreitet, kann der von den Aussteifungsfasern erzeugte Aussteifungseffekt ungenügend sein. Vorzugsweise ist die Menge der thermoplastischen Harzfasern 3 von etwa 15 bis etwa 30% und die Menge der Aussteifungsfasern 4 von etwa 85 bis etwa 70%, jeweils auf den Gesamtfasergehalt bezogen.
Die Dicke der biegsamen, aus dem thermoplastischen Harz hergestellten Hülse 2 kann im Bereich von etwa 5 bis etwa 2.000 um liegen, vorzugsweise etwa 10 bis etwa 200 um. Eine Dicke unter 5 um kann es schwierig machen, eine gleichförmige Hülse zu bilden, aber falls sie andererseits 2.000 um überschreitet, kann die Biegsamkeit des Verbundmaterials ungenügend werden.
Beim biegsamen Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung dürfen die Denier-Zahlen der thermoplastischen Harzfasern pro Faser nicht größer als 3 sein, vorzugsweise nicht größer als 1. Obwohl die Zahl der Fasern geeignet mit den Denier-Zahlen der Fasern variieren können, kann sie im allgemeinen im Bereich von etwa 5 bis etwa 20.000.000 liegen, vorzugsweise etwa 10 bis etwa 100.000.
Die bei der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Aussteifungsfasern haben in geeigneter Weise eine Denier-Zahl von etwa 0,05 bis etwa 600, und die Zahl der Fasern liegt im Bereich von etwa 50 bis etwa 300.000; vorzugsweise ist die Denier-Zahl im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 16 und die Zahl der Fasern im Bereich von etwa 100 bis etwa 48.000.
Die Durchmesser der bei der vorliegenden Erfindung zu verwendenden thermoplastischen Harzfasern können allgemein im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 60 um liegen, vorzugsweise von etwa 2 bis 11 um, während die Durchmesser der Aussteifungsfasern allgemein zwischen etwa 3 und etwa 50 um liegen können, vorzugsweise zwischen etwa 6 und etwa 30 um. Es wird vorgezogen, daß allgemein thermoplastische Harzfasern mit einem kleineren Faserdurchmesser als dem der Aussteifungsfasern benutzt werden, da je dünner die thermoplastischen Harzfasern sind, desto größer die Zahl der Fasern wird, wodurch die Gleichförmigkeit der Fasermischung verbessert wird.
Das biegsame Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist bezüglich seiner mechanischen Festigkeit besser, wenn es für Formteile verwendet wird, da es unwahrscheinlich ist, daß Luft und Feuchtigkeit eindringen, weil das Gemischfaserbündel 1, bestehend aus thermoplastischen Harzfasern 3 und Aussteifungsfasern 4, als Kernmaterial benutzt wird und eine biegsame Hülse 2 aus dem thermoplastischen Harz auf der Oberfläche des Kernmaterials vorgesehen wird, wie oben beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können das Gemischfaserbündel 1 und die Hülse 2 eng miteinander verbunden werden, wenn der Schritt des Bedeckens des Kerns mit der Hülse durchgeführt wird, während der Kern mit einer Entlüftungspumpe unter Vakuum gehalten wird, wie im folgenden beschrieben, so daß Formteile mit höherer mechanischer Festigkeit erzeugt werden können. Ein derartiges biegsames Verbundmaterial, bei dem das Gemischfaserbündel 1 eng mit der Hülse 2 verbunden ist, ist besonders für ein Formteilmaterial mit Faseraufwicklung geeignet, wie im folgenden beschrieben, und wird zu hohe Qualität fordernden Produkten geformt. Beim biegsamen Verbundmaterial kann es möglich sein, eine beliebige Zahl von Ringknoten oder -vertiefungen darauf durch Verwendung einer Präge- oder Heißpreßvorrichtung aufzubringen, um die enge Verbindung zwischen der Hülse 2 und dem Gemischfaserbündel 1 aufrechtzuerhalten. Das Verbundmaterial dieser Formgestaltung ist beispielsweise in Fällen vorteilhaft, wo es danach zwischen benachbarten Knoten in Stücke geschnitten wird.
Die bei der vorliegenden Erfindung zu verwendenden thermoplastischen Harzfasern können aus Polymeren bestehen, wie z. B. Polyamiden, Polyestern, Polyäthylenen, Polypropylenen, Polyvinylidenfluoriden, Polyamidimiden, Polyimiden, Polyätherimiden, Polyäthersulfonen und Polyätherätherketonen. Insbesondere kann das Polyamid Homopolymere oder Copolymere einschließen, wie z. B. Nylon 66, Nylon 6, Nylon 12 und Nylon 6/66/12- Terpolymer. Das Polyester kann Homopolymere oder Copolymere einschließen, wie z. B. Polyäthylenterephthalat, Polyäthylen-2, 6-Naphthal at, Polyoxyäthoxybenzoat und aromatischen Polyester.
Als bei der vorliegenden Erfindung zu verwendende Aussteifungsfasern 4 können Kohlefasern, Glasfasern oder Polyamidfasern eingesetzt werden. Insbesondere können die Kohlefasern grundsätzlich in zwei Gruppen eingeteilt werden, je nach verwendetem Rohmaterial. Eine erste Gruppe sind die, die durch Karbonisieren von Petroleumpech oder Kohleteerpech als Rohmaterialien hergestellt werden. Die zweite Gruppe sind die, die durch Karbonisieren von natürlichen oder künstlichen Fasern als Rohmaterial hergestellt werden. Jede dieser Gruppen kann bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In Fällen, wo Pech als Rollmaterial verwendet wird, wird das Pech so hergestellt, daß es in einem zum Verspinnen geeigneten Zustand ist und dann in Fasern umgewandelt wird, wonach es der Infusion und Karbonisierung unterworfen wird. Beispielsweise wird Pech mit Erweichungspunkten zwischen 180 und 300ºC bei Temperaturen von 250 bis 350ºC schmelzversponnen, dann der Infusion bei Temperaturen zwischen 150 und 300ºC mit einem Oxidiergas unterworfen und bei Temperaturen zwischen 800 und 2.500ºC karbonisiert. In Fällen, wo Fasern als Rohmaterial verwendet werden, sind dies vorzugsweise Zellulose- oder Acrylfasern, insbesondere Acrylnitrilcopolymerfasern. Sie werden einer Wärmebehandlung unterworfen und dann karbonisiert. Besonders sind aus Pech hergestellte Kohlefasern bei der vorliegenden Erfindung geeignet.
Die bei der vorliegenden Erfindung zu verwendenden thermoplastischen Harze können aus Polymeren bestehen, wie z. B. Polyamiden, Polyestern, Polyäthylenen, Polypropylenen, Polyvinylidenfluoriden, Polyamidimiden, Polyimiden, Polyätherimiden, Polyäthersulfonen und Polyätherätherketonen. Insbesondere kann das Polyamid Homopolymere oder Copolymere einschließen, wie z. B. Nylon 66, Nylon 6, Nylon 12 und Nylon 6/66/12-Terpolymer. Das Polyester kann Homopolymere oder copolymere einschließen, wie z. B. Polyäthylenterephthalat, Polyäthylen-2,6-Naphthalat, Polyoxyäthoxybenzoat und aromatischen Polyester. Die Schmelzpunkte der als Hülsenmaterial zu verwendenden thermoplastischen Harze sind vorzugsweise kleiner oder gleich denen der thermoplastischen Harzfasern 3.
Ein bevorzugtes Verfahren für die Herstellung biegsamer Verbundmaterialien wird im folgenden beschrieben. Das Verfahren beinhaltet im wesentlichen die Schritte des Mischens eines Bündels aus thermoplastischen Harzfasern mit einem Bündel aus Aussteifungsfasern und dann des Bedeckens der resultierenden Gemischfasern mit einem thermoplastischen Harz, wodurch eine Hülse um das Gemischfaserbündel herum gebildet wird.
In Fig. 2 werden Bündel von auf Spulen (nicht gezeigt) gewickelten Aussteifungsfasern 11 und thermoplastischen Harzfasern 12 kontinuierlich bei konstanter Geschwindigkeit von einer Nelson-Förderrolle 14 durch eine Fasermischvorrichtung 13 gezogen. Die Fasermischvorrichtung 13 kann von irgendeiner konventionellen Art sein und ist hier nicht besonders dargestellt. Kurz gesagt besteht die Vorrichtung 13 aus Luftdüsen und einem Mischelement. Mit 23 und 24 sind Abwickelgeräte zum Steuern der Faserzuführung bezeichnet.
Die beiden verschiedenen der Mischvorrichtung 13 Zugeführten Faserbündel werden mit Hilfe von trockener Luft aus den Düsen gleichförmig verteilt oder getrennt und werden dann zum Mischen miteinander in Kontakt gebracht. Während des Mischens wird beispielsweise eine Spannung von 2 g oder mehr auf die Fasern 11 und 12 aufgebracht. Das in der Mischvorrichtung 13 erhaltene Gemischfaserbündel wird an eine Hülsenbeschichtvorrichtung übertragen, bestehend aus einem Extrudierer 18 für thermoplastisches Harz 18 und einem Hülsenbeschicht-Kreuzbett 16, und wird dort mit einem biegsamen, dem Extrudierer 18 zugeführten thermoplastischen Harz bedeckt.
Das nun mit der Hülse vorhandene Verbundmaterial wird dann mit einer Kühlvorrichtung 20 gekühlt und verfestigt und wird mit einer Nelson-Förderrolle 21 mit konstanter Geschwindigkeit gezogen und mittels einer Aufnahmevorrichtung 22 aufgewickelt. Die Bezugsziffern 15 und 25 bezeichnen Kleberollen, die vorzugsweise zur Oberflächenbehandlung des Aussteifungsfaserbündels bzw. des Gemischfaserbündels vorgesehen sind, zum Zweck des Verhinderns von Fransenbildung auf den Bündeln und des Erhöhens der Bündelspannung. Das zum Kleben verwendete Klebemittel kann auch als Zusammenführmittel während der Bildung des Verbundmaterials sowie als Bindemittel zwischen den Aussteifungsfasern und den thermoplastischen Harzfasern während des Formens des Verbundmaterials dienen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann in Fällen, wo die Kleberollen 15 oder 25 verwendet werden, der Produktionswirkungsgrad in beträchtlichem Maß erhöht werden, und es können ein Gemischfaserbündel, bei dem die thermoplastischen Harzfasern eng mit den Aussteifungsfasern verbunden sind, sowie auch Formteile, bei denen die thermoplastischen Harzfasern eng mit den Aussteifungsfasern verbunden sind, hergestellt werden.
In Fig. 2 bezeichnet die Bezugsziffer 17 eine Entlüftungspumpe, die für die Herstellung eines Verbundmaterials nützlich ist, bei dem der Kern 1 (Fig. 1) des Gemischfaserbündels sich eng an die Hülse 2 aus thermoplastischem Material anschmiegt (Fig. 1), und somit für die Herstellung von Formteilen mit äußerst kleiner Porosität. Das heißt, durch Verbindung der Pumpe 17 mit dem Kreuzbett 16 wird das Gemischfaserbündel unter Vakuum gehalten, so daß die Zwischenräume zwischen den gemischten Fasern und zwischen den Fasern und der Hülse reduziert werden, wodurch sich eine enge Verbindung zwischen den Fasern und zwischen den Fasern und dem Kern ergibt.
Mit 19 ist eine Präge- oder Knotenformvorrichtung bezeichnet, die für die Herstellung des Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist, das zum Schneiden in eine Vielzahl von Stücken geeignet ist. Die Prägevorrichtung 19 kann eine Vielzahl von axial gleich auseinanderliegenden, ringförmig vertieften Bereichen oder Nuten auf der äußeren Außenfläche der Hülse bilden, indem unter Erwärmen das aus dem die Hülse bildenden Schritt gezogene Verbundmaterial radial nach innen gedrückt wird, wodurch die Hülse und die Fasern an der Preßstellen fest miteinander verbunden werden. Als Ergebnis werden, wenn das Verbundmaterial an anderen Stellen als den gepreßten Bereichen in Stücke geschnitten wird, die geschnittenen Fasern daran gehindert, sich voneinander oder von der Hülse zu trennen, und bleiben miteinander verbunden. Gemäß der vorliegenden Erfindung können, zusätzlich zur Mischvorrichtung wie oben beschrieben, auch diverse andere Typen von konventionell benutzten Fasermischvorrichtungen in geeigneter Weise eingesetzt werden, wie z. B. ein Luftverarbeitungsmittel o. dgl.
Das Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Faseraufwickelmaterial oder als Preßformmaterial eingesetzt werden. Beim Faseraufwickeln wird Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung auf einen Dorn oder Former aufgewickelt, unter Druck mit einem Heizmittel auf höhere Temperaturen als die der thermoplastischen Harze erwärmt, so daß die thermoplastischen Harze der Hülse und die thermoplastischen Fasern schmelzen, und wieder verfestigt. Danach werden der Dorn bzw. der Former entfernt, oder sie können Teil der Formteile werden. Beim Preßformen kann das Verbundmaterial auf eine Form und unter Druck auf höhere Temperaturen als der Schmelzpunkt des thermoplastischen Harzes gebracht werden, so daß das thermoplastische Harz und die Aussteifungsfasern zusammenschmelzen, und darin wieder verfestigt werden.
Durch Verwendung des Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung können feste Formteile erzeugt werden, bei denen die Aussteifungsfasern in ausreichendem Maß verteilt sind. Es erlaubt die einfache Herstellung von Produkten mit komplexen Abmessungen und mit kleinen Krümmungsradien.
Das Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Formmittel wie das Faseraufwickelverfahren oder das Preßformverfahren zu Bauteilen für Automobile, Tennisschläger, Hockeyschläger, Skistöcke, Angeln, Golfschläger etc, geformt werden. Weiterhin kann das Verbundmaterial in Faserform gemäß der vorliegenden Erfindung mittels konventioneller Webtechniken in Kombination mit anderen Fasern zu Matten geformt werden.
Das biegsame Verbundmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Mischen der thermoplastischen Harzfasern und der Aussteifungsfasern in beliebigen Mengenverhältnissen hergestellt werden, da - wie oben beschrieben - das aus den thermoplastischen Harzfasern und den Aussteifungsfasern zusammengesetzte Gemischfaserbündel als Kernmaterial und als biegsame Hülse verwendet wird, die um das Kernmaterial herum vorgesehen ist. Es ist außerdem in der Praxis einsetzbar, da es in der Weiterverarbeitbarkeit und Biegsamkeit besser ist, wodurch Formteile mit äußerst hoher Zug- und Biegefestigkeit erhalten werden können. Das Verfahren zum Herstellen des biegsamen Verbundmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch industriell von Vorteil, da nur relativ wenige Schritte und die Verwendung einfacher Geräte benötigt werden.
Die folgenden Beispiele werden die vorliegende Erfindung näher erläutern.

Beispiel 1

Sowohl ein Bündel Fasern aus Nylon 66 als auch Kügelchen des gleichen Polymers wurden mit einem aus Hexamethylendiamin/Fettsäure (HA-Salz) als Basismaterial gebildeten Polymer hergestellt. Die Dichte dieses Nylons 66 war 1,6 g/cm³ und das Bündel war aus 600 Fasern mit einer Denier-Zahl von jeweils 3 zusammengesetzt. Seine Zugfestigkeit war 6,4 kg/mm², und die Streckung war 38%. Die mit den Nylon 66-Fasern zu vermischenden Aussteifungsfasern waren aus Petroleumpech hergestellte Kohlefasern. Das Kohlefaserbündel war aus 6.000 Fasern zusammengesetzt und hatte eine Dichte von 1,71 g/cm³, eine Zugfestigkeit von 310 kg/mm², einen Zugelastizitätsmodul von 22 · 10³ kg/mm² und eine Streckung von 1,4%. Ein biegsames Verbundmaterial wurde aus diesen Fasern mit einer Vorrichtung nach Fig. 2 hergestellt. Somit wurden die auf Spulen gewickelten Kohle- und Nylon 66-Bündel kontinuierlich von der Nelson-Förderrolle 14 mit konstanter Geschwindigkeit durch die Fasermischvorrichtung 13 gezogen, um ein Gemischfaserbündel zu erhalten, das aus 64 Volumenprozent Kohlefasern und 36 Volumenprozent Nylon 66- Fasern zusammengesetzt war.
Die Fasermischvorrichtung 13 bestand aus Luftdüsen und einem Fasermischelement. Die beiden zugeführten Fasern wurden durch Blasen von trockener Luft aus den Düsen gespreizt, und die beiden gespreizten Fasern wurden durch zwei kleine, längliche, feste Platten bewegt, die in der oberen und der unteren Position parallel zueinander angeordnet waren, um die Mischung zwischen den Fasern zu bewirken. Während dieses Schritts wurde eine Spannung von etwa 30 g auf die Fasern aufgebracht, kontrolliert von einem Sensor.
Das so gebildete Gemischfaserbündel wurde dann an eine aus dem thermoplastischen Harzextrudierer 18 und einem Hülsenbeschicht-Kreuzbett 16 bestehende Hülsenbeschichtvorrichtung übertragen. Während dieses Schritts wurden die wie oben beschrieben hergestellten Kügelchen aus Nylon 66 dem Extrudierer 18 zugeführt, um eine Hülse um das Gemischfaserbündel herum zu bilden; das Produkt wurde dann mittels einer Kühlvorrichtung 20 zwecks Verfestigen gekühlt und dann mit konstanter Geschwindigkeit mittels der Nelson-Förderrolle 11 gezogen, und dann wurde es mit der Aufwickelvorrichtung 22 aufgewickelt. Der Extrudierer 18 war so ausgebildet, daß er einen Schneckendurchmesser von 20 mm und eine Extrudiergeschwindigkeit von 0,34 l/h hatte, und die Temperatur des Kreuzkopfwerkzeugs wurde auf 281ºC eingestellt und die Ziehgeschwindigkeit auf 10 m/min.
Die resultierende, das Gemischfaserbündel ummantelnde Hülse hatte einen Innendurchmesser von 5 mm, eine Dicke von 36 um und ein Volumen von 47%, bezogen auf das Volumen der Kohlefasern. Das resultierende Verbundmaterial wurde mittels eines Schlägerwebstuhls zu einem ebenen gewebten Tuch von hoher Qualität gewebt, ohne daß Fransen gebildet und Kohlefasern auf seiner Oberfläche zugänglich waren.
Das Verbundmaterial wurde auch eng aufgewickelt, so daß sich eine Dicke von 6 mm auf einer Platte aus einer Aluminiumlegierung mit einer Breite von 200 mm und einer Dicke von 5 mm ergab, und wurde dann in eine Form einer Preßformvorrichtung gebracht. Die Form wurde auf 280ºC erwärmt und dort für 5 Minuten belassen, und dann wurde ein Druck von 32 kg/cm² für 20 Minuten aufgebracht. Dann wurde die Form auf Umgebungstemperatur abgekühlt, während der Druck aufrechterhalten wurde. Das resultierende Formteil wurde dann aus der Form entnommen und in Teststücke von 175 mm · 20 mm · 3 mm bzw. 80 mm · 25 mm · 3 mm geschnitten, damit die Kohlefasern sich in Längsrichtung ausrichten können. Mit 20 Teststücken wurden die Zug- und Biegetests durchgeführt. Die durchschnittliche Biegefestigkeit für 20 Teststücke war 105,7 kg/mm², und die Biegefestigkeit war 91,4 kg/mm².

Beispiel 2

Teststücke wurden gemäß Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Zahl der Nylon 66-Fasern 3.400 und die Denier-Zahl 0,5 war. Die Testergebnisse waren: Zugfestigkeit 149,6 kg/mm² und Biegefestigkeit 131,3 kg/mm². Diese Zahlen sind höher als die von Beispiel 1 und zeigen, daß ein gleichförmigeres Verbundmaterial auf Grund der niedrigeren Denier-Zahl der Nylon 66-Fasern erhalten wurde.

Beispiel 3

Ein aus 74 Volumenprozent Kohlefasern und 26 Volumenprozent Nylon 66-Fasern bestehendes Gemischfaserbündel wurde nach Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Zahl der Nylon 66-Fasern auf 370 und die Denier-Zahl pro Faser auf 0,5 geändert wurden. Mit diesem Gemischfaserbündel wurde ein Verbundmaterial auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, und Teststücke wurden hergestellt und getestet. Die Zugfestigkeit war 120,8 kg/mm², und die Biegefestigkeit war 112,2 kg/mm². Das Verbundmaterial enthielt Kohlefasern in einem höheren Anteil als bei Beispiel 1 und wurde als besser als das von Beispiel 1 ermittelt.

Beispiel 4

Ein Verbundmaterial wurde in im wesentlichen gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß der Hülsenbildungsschritt mit der Entlüftungspumpe 17 durchgeführt wurde, um somit das aus den Nylon 66- und den Kohlefasern zusammengesetzte Gemischfaserbündel eng zu verbinden. Teststücke wurden dann auf gleiche Weise hergestellt, und die Zugfestigkeit war 138,4 kg/mm² und die Biegefestigkeit 130,1 kg/mm². Dies zeigt, daß die Porosität des Formteils reduziert wurde.

Beispiel 5

Ein Verbundmaterial wurde entsprechend Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Spannung vor und nach der Fasermischvorrichtung 13 auf etwa 75 g geändert wurde. Dies ermöglichte es, die Extrudiergeschwindigkeit auf 2,04 l/h und die endgültige Ziehgeschwindigkeit auf 60 m/min einzustellen, was zu einer bemerkenswerten Erhöhung der Produktivität führte. Die Zugfestigkeit war 104,9 kg/mm² und die Biegefestigkeit 91,8 kg/mm².

Beispiel 6

Ein Verbundmaterial wurde entsprechend Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß das Kohlefaserbündel mit der Kleberolle 25 und das Gemischfaserbündel mit der Kleberolle 15 oberflächenbehandelt wurde, und die Spannung vor und nach der Fasermischvorrichtung wurde auf etwa 50 g geändert. Dies ermöglichte es, die Extrudiergeschwindigkeit auf 2,72 l/h und die endgültige Ziehgeschwindigkeit auf 80 m/min einzustellen, was zu einer bemerkenswerten Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit führte. Die Zugfestigkeit war 109,2 kg/mm² und die Biegefestigkeit 90,3 kg/mm².

Beispiel 7

Ein Verbundmaterial wurde in im wesentlichen gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Hülse eng mit dem aus den Nylon 66- und den Kohlefasern zusammengesetzten Gemischfaserbündel verbunden war, wobei der Hülsenbildungsschritt unter reduziertem Druck mittels der Entlüftungspumpe 17 durchgeführt wurde und das Verbundmaterial entlang seiner Länge durch Prägen bei einer Temperatur von etwa 280ºC und einem Druck von etwa 70 kg/cm² mittels einer Prägevorrichtung 19 in 10 mm Abständen mit Knoten (Ringnuten) versehen wurde. Das resultierende Verbundmaterial wurde in Längen von 50 mm geschnitten. Im wesentlichen keine Trennung der Fasern von der Hülse wurde beobachtet. Das geschnittene Material wurde in zufälligen Richtungen verteilt und laminiert, um ein Verbundmaterial in einem Filzzustand mit einer Dicke von 4,2 mm zu ergeben. Dieses wurde bei 270ºC mittels einer Infrarot-Heizvorrichtung erwärmt und dann in eine Preßform gebracht, die bei einem Druck von 60 kg/cm betrieben wurde, was zur Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Vielzahl von gekrümmten Oberflächen führte.

Vergleichsbeispiel 1

Das gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellte Gemischfaserbündel wurde direkt aufgewickelt, ohne durch die Hülsenbeschichtvorrichtung zu laufen. Es wurde dann einem üblichen Webprozeß mit einem Schlägerwebstuhl unterworfen, was in einem gewebten Tuch mit einem bemerkenswerten Grad von Fransen auf den Oberflächen resultierte, und das Tuch wurde als unpraktisch gefunden. Teststücke wurden in im wesentlichen gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und getestet. Die Ergebnisse waren: Zugfestigkeit 74,2 kg/mm² und Biegefestigkeit 63,1 kg/mm².

Claims

1. Biegsames Verbundmaterial, das einen Kern (1), welcher im wesentlichen aus einer gleichförmig verteilten Mischung aus thermoplastischen Harzfasern (3) und Aussteifungsfasern (4) zusammengesetzt ist, und eine biegsame Hülse (2) umfaßt, welche aus einem thermoplastischen Harz besteht und den Kern (1) ummantelt, wobei die thermoplastischen Harzfasern (3) bei einer Temperatur schmelzen, bei der die Aussteifungsfasern (4) fest bleiben und eine Denier-Zahl nicht größer als 3 haben.

2. Biegsames Verbundmaterial nach Anspruch 1, worin die Mischung 15-30 Volumenprozent thermoplastische Harzfasern (3) und korrespondierend dazu 85-70 Volumenprozent Aussteifungsfasern (4) umfaßt.

3. Biegsames Verbundmaterial nach Anspruch 1 oder 2, worin die thermoplastischen Harzfasern (3) eine Faser-Denier-Zahl nicht größer als 1 haben.

4. Biegsames Verbundmaterial nach Anspruch 3, worin die Aussteifungsfasern (4) eine Faser-Denier-Zahl im Bereich von 0.25 bis 1 haben.

5. Biegsames Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Hülse (2) eine Dicke im Bereich von 10 bis 200 um hat.

6. Biegsames Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Hülse (2) eng an die ganze Außenfläche des Kerns (1) angeschmiegt ist.

7. Biegsames Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ausgestattet mit einer Vielzahl von longitudinal gleich auseinanderliegenden ringförmig gepreßten Bereichen auf der äußeren Außenfläche der Hülse (2), wobei jeder ringförmig gepreßte Bereich durch eine radial einwärts gerichtete Heißpressung der Außenfläche der Hülse (2) gebildet wird, um die Hülse und die Fasern (3,4) eng miteinander zu verbinden.

8. Biegsames Verbundmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Aussteifungsfasern aus Kohlefasern, Glasfasern, Polyamidfasern und Mischungen daraus ausgewählt werden.

9. Verfahren zur Herstellung biegsamer Verbundmaterialien mit folgenden Schritten:

(a) Verwendung von thermoplastischen Harzfasern (3) und Aussteifungsfasern (4), wobei die thermoplastischen Harzfasern (3) bei einer Temperatur schmelzen, bei der die Aussteifungsfasern (4) fest bleiben und eine Denier-Zahl nicht größer als 3 haben;

(b) enge Mischung von thermoplastischen Harzfasern (3) und Aussteifungsfasern (4);

(c) Zusammensetzung der gemischten Fasern, um einen Kern ( 1) zu erhalten; und

(d) Pressung eines thermoplastischen Harzes über den Kern (1) um eine Hülse (2) zur Ummantelung des Kerns (1) zu bilden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin der Mischungsschritt (b) ausgeführt wird, während eine Spannung von mindestens 2 g auf jede der thermoplastischen Harzfasern (3) und Aussteifungsfasern (4) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, welches weiterhin umfaßt, daß die Aussteifungsfasern (4) vor dem Mischungsschritt (b) mit einem Klebemittel behandelt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, welches weiterhin umfaßt, daß der Kern (1) vor dem Schritt der Pressung (d) mit einem Klebemittel behandelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, worin der Schritt der Pressung (d) ausgeführt wird, während der Kern (1) unter Vakuum gehalten wird, so daß die Lücken zwischen den gemischten Fasern (3,4) des Kerns (1) und zwischen dem Kern (1) und der Hülle (2) im wesentlichen reduziert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, welches weiterhin umfaßt, daß die Hülle (2) nach dem Schritt der Pressung (d) radial einwärts gerichtet heißgepreßt wird, um eine Vielzahl von axial gleich auseinanderliegenden ringförmig gepreßten Bereichen auf der äußeren Außenfläche der Hülse (2) zu bilden, so daß die gemischten Fasern (3,4) und die Hülle (2) eng an jedem gepreßten Bereich begrenzt sind.

15. Verfahren nach Anspruch 14, welches weiterhin umfaßt, daß das Produkt, welches nach dem Schritt der Heißpressung erhalten wird, an anderen Stellen als den gepreßten Bereichen in Stücke geschnitten wird.