PL204932B1

PL204932B1 - Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy oraz kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy zawierający warstwę włókninowego materiału wstęgowego

Info

Publication number: PL204932B1
Application number: PL334732A
Authority: PL
Inventors: Rui B. Ferreira; Joseph A. Rieger
Original assignee: Dexter Corp
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1998-01-20
Publication date: 2010-02-26
Also published as: CA2278144A1; EP1009705B1; US6762138B2; JP4545237B2; US20020132548A1; PL334732A1; AU6035498A; JP2002514272A; BR9806790A; EP1009705A1; ES2392680T3; EP1009705A4; KR20000070331A; BR9806790B1; WO1998031626A1; CA2278144C; AU719638B2

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy układanego na mokro włókninowego materiału wstęgowego oraz kompozytowego wielowarstwowego materiału arkuszowego zawierającego warstwę włókninowego materiału wstęgowego, w ogólności wynalazek odnosi się do układanych na mokro włókninowych wstęg wykonanych z nieroztworzonych wiązek długich włókien i splątywanego hydromechanicznie materiału arkusza kompozytowego zawierającego takie włókninowe wstęgi.

Znane są sposoby obejmujące tradycyjne operacje mokrego układania przy wytwarzaniu papieru, w których roztworzone włókna są rozcieńczane w wodnym medium i umieszczane w postaci arkuszowej na sicie papierniczym. Roztworzone włókna są naturalnymi, pojedynczymi jednostkami włóknistymi uzyskiwanymi w procesie roztwarzania. Elementarne włókna przed procesem roztwarzania są wiązane ze sobą i utrzymywane kilkoma składnikami naturalnego wiązania, jak lignina i hemiceluloza. Proces roztwarzania usuwa takie elementy wiążące, pozostawiając w większości elementarne włókna celulozowe. Takie rozbicie wiązek włókien jest pożądane, ponieważ uwolnione włókna elementarne są bardziej podatne i tworzą pożądaną jednorodność arkusza, przyczyniając się równocześnie do uzyskania wytrzymałości białego materiału arkuszowego.

W ukł adaniu na mokro stosowane są roztworzone wł ókna roś linne o zwię kszonej dł ugoś ci, w porównaniu z krótszymi włóknami miazgi drzewnej. Tego rodzaju długie włókna roślinne dają poprawę właściwości mechanicznych i obejmują takie włókna elementarne jak sizal, konopie, karoa, len, jutę i manillę, jak podano w opisie patentowym nr U.S. 5,151,320 oraz nr U.S. 5,009,797. Roztworzone włókna roślinne mają typowo średnicę około 5-30 μm i długość około 10 mm. W publikacji zgłoszenia międzynarodowego nr WO 96,12849 uwolnione roztworzone włókna rami cięte na długość 12 mm były zastosowane zamiast 12 mm włókien syntetycznych do utworzenia chłonnych włóknin, przy zastosowaniu odpowiednich środków dyspergujących.

Znane są również układane na mokro włókna nieorganiczne, jak na przykład szklane, węglowe, węglikowo-krzemowe i inne, które były użyte w zastosowaniach kompozytowych, gdzie pożądane są anizotropowe właściwości dla celów wzmocnienia. Takie nieorganiczne włókna korzystnie nadają włókninom duży moduł sprężystości, co prowadzi do poprawy wytrzymałości przy minimalnym wzroście ciężaru.

Wewnętrzne wierzchnie obicia w pojazdach samochodowych były dotychczas wytwarzane z formowalnych wielowarstwowych zespołów zawierających piankowy rdzeń, na którego bokach występowały warstwy włókien szklanych. Spodnia strona warstwy włókna szklanego była pokrywana folią z tworzywa sztucznego nieprzepuszczalną dla wilgoci, jak na przykład folia polietylenowa (na stronie bliższej dachu pojazdu), a papierowe runo nakładano jako warstwy pokrycia na folię, dla zapobieżenia przyklejaniu podczas operacji formowania. Tkanina lub równoważne warstwy pokrywały przednią warstwę włókien szklanych od strony wnętrza pojazdu. Ponadto, jak wspomniano w opisie patentowym nr U.S. 5,437,919 mogą być zastosowane zewnętrzne warstwy z runa tkaniny jutowej lub sizalowej. Takie materiały nawierzchnie obicia tapicerskie wykazują oprócz niezbędnej termoformowalności również możliwość wzmocnienia włóknem szklanym, które daje moduł sprężystości przewyższający moduł dla matrycy żywicznej oraz wprowadza potrzebną sztywność do uzyskanego wyrobu.

Z różnych przyczyn przemysł zmierza do wyeliminowania włókien szklanych w takich zastosowaniach, bez szkodliwego wpływu na pożądaną charakterystykę, zwłaszcza termoformowanie i moduł sprężystości (elastyczności) bądź sztywność.

Z polskiego opisu patentowego nr PL 179577 (odpowiadającego zgłoszeniu międzynarodowemu numer publikacji W096/12849) znany jest materiał włókninowy zawierający mieszaninę włókien miazgi oraz długich hydrofilowych włókien pochodzenia roślinnego oraz sposób jego wytwarzania. Materiał włókninowy według tej publikacji jest wytwarzany poprzez układanie na mokro lub formowanie pianowe i zawiera w szczególności mieszaninę krótkich włókien roślinnych, zwłaszcza włókien miazgi oraz długich hydrofilowych włókien pochodzenia roślinnego, z których większa część wykazuje długość włókna wynoszącą co najmniej 10 mm, przy czym zawartość długich hydrofilowych włókien wynosi co najmniej 1% wagowo w stosunku do całkowitej masy włókien. Włókna są ze sobą mieszane w obecności środka dyspergującego, umożliwiającego ich jednolite uformowanie, przy czym długie hydrofilowe włókna są zwykle utworzone poprzez włókna elementarne, to jest roztworzone (rozdzielone), oddzielne włókna elementarne, przy czym mogą być stosowane włókna włosków nasiennych lub okryw nasiennych, które występują w stanie naturalnym jako oddzielne włókna elementarne lub też

PL 204 932 B1 włókna roślin liściastych i łykowatych, które muszą być najpierw roztworzone w celu uzyskania rozdzielonych włókien elementarnych.

Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy zawierający długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych w ilości co najmniej 30% wagowych w stosunku do zawartości włókien w materiale włókninowym, przy czym długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych mają długość włókien od 10 mm do 100 mm, według wynalazku charakteryzuje się tym, że nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych są utrzymywane w postaci wiązek włókien poprzez naturalne środki wiążące obejmujące ligninę i hemicelulozę.

Korzystnie, wiązki włókien naturalnych są włóknami powroźniczymi.

Korzystnie, wiązki naturalnych włókien roślinnych są dobrane z grupy obejmującej sizal, manilę, agawę, kenaf i jutę.

Korzystnie, wiązki naturalnych włókien roślinnych są pocięte na długość w zakresie około 10-50 mm.

Korzystnie, układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy zawiera ponadto składnik w postaci włókien miazgi.

Korzystnie, układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy zawiera składnik w postaci włókien syntetycznych.

Korzystnie, składnik w postaci włókien syntetycznych jest wybierany z grupy obejmującej poliester, acetylocelulozę, jedwab wiskozowy, nylon lub włókna poliolefinowe.

₂

Korzystnie, gramatura materiału wstęgowego wynosi nie więcej niż około 200 g/m².

Korzystnie, gramatura materiału wstęgi wynosi co najmniej około 100 g/m².

Korzystnie, nie roztworzone wiązki włókien mają moduł sprężystości w zakresie około 1,38 x 10¹⁰ 3,45 x 10¹⁰ Pa (2-5 x 10⁶ psi).

Korzystnie, włókninowy materiał wstęgowy zawiera co najmniej 55% wagowych w stosunku do zawartości włókien materiału włókninowego, nie roztworzonych wiązek naturalnych włókien.

Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy zawierający warstwę włókninowego materiału wstęgowego oraz warstwę wstęgi włókien miazgi, przy czym warstwa włókninowego materiału wstęgowego zawiera długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych w ilości co najmniej 30% wagowych w stosunku do zawartości włókien w materiale włókninowym, przy czym długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych mają długość włókien od 10 mm do 100 mm, według wynalazku charakteryzuje się tym, że we włókninowym materiale wstęgowym nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych są utrzymywane w postaci wiązek włókien poprzez naturalne środki wiążące obejmujące ligninę i hemicelulozę.

Korzystnie, warstwy są połączone poprzez splątywanie hydromechaniczne.

Korzystnie, warstwy są zamocowane wiązaniem chemicznym.

Korzystnie, kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy zawiera ponadto wstęgę materiału typu „spun-bond”, umieszczoną na przeciwnej stronie wstęgi materiału włókninowego w stosunku do wstęgi włókien miazgi.

Korzystnie, kompozyt jest termoformowalny pod naciskiem.

Korzystnie, kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy zawiera ponadto warstwę piankową z zamocowanym włókninowym materiałem wstęgowym po jej przeciwnych stronach.

Korzystnie, przeciętna siła ugięcia kompozytowego wielowarstwowego materiału arkuszowego wynosi co najmniej około 10 N (2,25 funta).

Korzystnym efektem uzyskanym według wynalazku jest uzyskanie pożądanych właściwości mechanicznego wzmocnienia we włókninowych materiałach wstęgowych bez stosowania włókien szklanych lub ciężkich materiałów, jakie uprzednio wykazały niejednorodność budowy. Uzyskano to poprzez zastosowanie układanych na mokro wstęg włókninowych wytworzonych z wiązek włókien roślinnych, jako dominującego składnika. Takie wstęgi mogą być zastosowane indywidualnie, lub jako część struktur kompozytowych, jako wzmacniający lub usztywniający składnik takich kompozytów.

Zaletą wynalazku jest to, że nieroztworzone wiązki włókien wykazują wymagany moduł sprężystości, niezbędny dla zastąpienia stosowanych dotychczas włókien organicznych. Równocześnie zachowywana jest anizotropowa charakterystyka układanego na mokro materiału włókninowego.

Zgodnie z wynalazkiem maty włókna szklanego mogą być całkowicie zastąpione przez układane na mokro arkusze wykonane w głównej mierze z długich włókien naturalnych, posiadających równoważny lub większy moduł sprężystości, tj. sztywność, około 137,9 hPa - 344,74 hPa (2-5 x 10⁶ funtów na cal²). Włókninowa wstęga wiązek długich włókien naturalnych może być użyta do zastąpienia warstwy włókna szklanego oraz folii barierowej, która zapobiega przeciekaniu żywicy. Kompozyt zawiera

PL 204 932 B1 wiele warstw termoplastycznych włókien, naturalne włókna wzmacniające oraz miazgę drzewną, która po połączeniu będzie wytrzymywać proces termoformowania wymagany w przypadku wytwarzania kształtowych wyrobów gotowych, jak na przykład w wierzchnich obiciach tapicerskich w samochodach, lub innych elementach wyposażenia wnętrza pojazdów. Materiał arkuszowy według wynalazku całkowicie zastępuje włókna nieorganiczne. Materiał wstęgowy z długich włókien może być zastosowany oddzielnie, lub jako kompozyt, do zastąpienia wcześniejszych trójwarstwowych struktur podłoża włókien szklanych, termoplastycznej folii i włókninowego podłoża. Uzyskany produkt wykazuje połączenie małego ciężaru, zmniejszonej masy i dużej sztywności w uformowanej postaci, przy dobrych własnościach odnośnie formowalności oraz smarowania formy, a także dużym wydłużeniu i dobrych właściwościach barierowych dla przepływu żywicy.

Inne właściwości i zalety rozwiązania według wynalazku szczegółowo przedstawione i wyjaśnione w dalszej treści opisu.

Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy formowany zgodnie z zalecanym przykładem wykonania wynalazku wytwarza się w mokrym procesie wytwarzania papieru, który obejmuje ogólne operacje rozcieńczenia wodnego wymaganych włókien, umieszczenie rozcieńczonych włókien na sicie odwadniającym w postaci arkuszopodobnego materiału wstęgowego. Rozcieńczone włókna mogą zawierać do 2% wagowych, korzystnie około 1% wagowo dodatku zwiększającego wytrzymałość w stanie mokrym po uformowaniu arkusza, który może być użyty jako jeden składnik kompozytu dla uzyskania żądanej wytrzymałości synergicznej i modułowej, przy jednoczesnym ułatwieniu formowania.

Rozcieńczone włókna mogą być uzyskane w konwencjonalny sposób z wykorzystaniem wody jako środka dyspergującego, lub poprzez zastosowanie innego odpowiedniego ciekłego medium dyspergującego. Korzystnie stosowane są wodne rozcieńczenia zgodne z technologią produkcji papieru, i dyspersja włókien jest wytwarzana jako wodna zawiesina lub układ włókien. Układ (skład) włókien jest następnie przenoszony na sito formujące wstęgę, jak na przykład płaskie sito maszyny papierniczej, i włókna są umieszczane na sicie dla utworzenia włókninowej wstęgi lub arkusza. Arkusz lub wstęga są suszone w tradycyjny sposób, lecz nie są uzdatniane żadnym poprocesowym środkiem wiążącym.

Skład włókien jest mieszaniną miazgi pochodzenia naturalnego, włókien syntetycznych i w przeważającej ilości pęczków nieroztworzonych włókien pochodzenia naturalnego. Składnik miazgi zestawu włókien może być dobrany zasadniczo z miazgi dowolnej klasy i ich mieszanin. Korzystnie miazga charakteryzuje się tym, że całkowicie pochodzi z włókien naturalnej celulozy i może zawierać bawełnę a takż e wł ókna drzewne, jak również papierniczą miazgę z drzew iglastych, jak na przykł ad typowo stosowaną miazgę świerkową, miazgę z drzewa świerkowego w rodzaju Tsuga, miazgę cedrową i sosnową. Mogą być również zastosowane miazgi drzew liściastych oraz miazgi pochodzenia niedrzewnego, jak na przykład sizalu. Miazga pochodzenia naturalnego może stanowić do około 40% wagowych całkowitej zawartości włókna materiału wstęgi.

Jak wspomniano, wstęgowy materiał włókninowy może również zawierać znaczne stężenie włókien syntetycznych zmieszanych z miazgą drzewną. Typowym włóknem syntetycznym jest poliester, na przykład tereftalen polietylenowy. Jednakże składnik włókna syntetycznego nie ogranicza się do poliestrów, lecz może zawierać inne włókna syntetyczne oraz włókna sztuczne zarówno pochodzenia celulozowego jak i niecelulozowego. Przykładowo, może być zastosowana acetyloceluloza, jedwab wiskozowy, nylon lub włókna poliolefinowe, jak na przykład włókna polipropylenowe.

Choć zasadniczo według wynalazku mogą być zastosowane wszystkie komercyjne maszyny papiernicze, włącznie z maszynami z rotacyjnym cylindrem, przy stosowaniu bardzo rozcieńczonych składów długich włókien pożądane jest stosowanie maszyn z pochylonym sitem wstrząsanym, opisanych w opisie patentowym nr U.S. 2,045,095. Włókna wychodzące ze skrzyni wlewowej osiadają na sicie w przypadkowym, trójwymiarowym usieciowaniu lub konfiguracji z niewielką orientacją w kierunku maszynowym, podczas gdy wodny dyspergator szybko przechodzi poprzez sito i zostaje gwałtownie i efektywnie usunięty.

Włókna syntetyczne korzystnie mają mały denier, około 1-6 denier na włókno (dpf) i długość większą niż około 4 mm, na przykład w zakresie od 10 - 25 mm. Generalnie, materiały o niskim denier mają nieco mniejszą długość włókien niż materiały o wysokim denier, wobec tendencji włókien o niższym denier do plątania przed umieszczeniem na sicie formującym wstęgę. Przykładowo, włókna 3 dpf mogą być zastosowane w długościach około 15 mm, natomiast korzystnie jest zastosowanie włókien 1,5 dpf o długości około 10 mm, i włókien 6 dpf o długości 25 mm. Jak będzie to wykazane, możliwe jest zastosowanie jeszcze dłuższych włókien według potrzeby, dopóki mogą być one łatwo dyspergowane

PL 204 932 B1 w wodnej zawiesinie innych w ł ókien. Choć ilość zastosowanych w zestawie wł ókien syntetycznych będzie również bardzo uzależniona od innych składników, generalnie korzystne jest zastosowanie w ilości poniżej 30% wagowych. Typowo, zawartość włókien syntetycznych wynosi co najmniej 5% wagowych, przy 5-25% wagowych, a korzystnie 5-15% wagowych stosowanych w większości przypadków.

Oprócz włókien syntetycznych i konwencjonalnych włókien papierniczych bielonej siarczanowej masy celulozowej kompozycja według obecnego wynalazku zawiera jako dominujący składnik, w postaci włókien pochodzenia naturalnego. Jak wspomniano, zastosowanie włókien bielonej masy celulozowej zwiększa w pewnym stopniu wytrzymałość. Jednakże dominującą charakterystykę wzmocnienia uzyskuje się zgodnie z obecnym wynalazkiem poprzez wprowadzenie długich, nieroztworzonych włókien roślinnych, zwłaszcza niezwykle długich, naturalnych, nieroztworzonych pęczków włókien powroźniczych, pociętych do długości w zakresie 10-50 mm. Takie bardzo długie wiązki naturalnych włókien poprawiają charakterystykę wytrzymałości, wytworzoną przez bieloną masę celulozową i równocześnie dają naturalne związanie włókien i wytrzymałość na pękanie.

Długie, naturalnie twarde włókna powroźnicze są utworzone, lecz bez ograniczenia, z sizalu, agawy, kanafu i juty. Stosuje się je w naturalnym stanie o zmiennych grubościach i długościach tak dobranych, że wiązki mogą być formowane jako oddzielna warstwa w procesie mokrego układania. Włókna zachowują konfigurację wiązkową i zawierają ligninę naturalnego pochodzenia, hemicelulozę oraz inne składniki. Jak wspomniano, wiązki nie są poddawane procesowi roztwarzania. W Tabeli 1 podano porównanie średnic włókien dla roztworzonych włókien elementarnych i nieroztworzonych wiązek włókien. Długie włókna naturalne typowo zawierają co najmniej 30% wagowych zawartości materiału niewłókninowego i stanowią dominujący składnik włóknisty. Korzystny zakres wynosi 55-85% wagowych, w odróżnieniu do zakresu dla miazgi 5-40%, przy dobrych wynikach uzyskanych w zakresie 60-75% wagowych.

T a b e l a 1

Włókno	Średnica włókna nieroztworzonego (μιτι)	Denier włókna nieroztworzonego (g/9000 τ)	Średnica włókna roztworzonego (μτ)
Sizal	137 do 193	206 do 406	7 do 47
Manila	113 do 158	139 do 273	0 do 32
Agawa	182 do 188	362 do 383	---
Kenaf	68	50	10 do 32
Juta	37 do 50	15 do 27	5 do 25

Choć mogą być zastosowane wiązki włókien o długości do 100 mm lub powyżej, bardziej typowo najdłuższe stosowane wiązki włókien mają wymiar około 50 mm lub poniżej. Wyroby wykonywane z włókien o długości w zakresie około 10-35 mm są korzystne w wyrobach rynkowych często mających długość wiązki włókna około 20-30 mm. Należy zauważyć, że wiązki włókien łatwo mogą być pocięte na każdą żądaną długość i nie są roztworzone chemicznie, lecz zostały zastosowane w swym naturalnym stanie.

Jak wspomniano, pozostałe składniki we wstędze długich włókien zawierają miazgę drzewną oraz włókna syntetyczne, bądź ich mieszaninę. Korzystna ilość każdego z nich wynosi około 1-20%. Gdy występuje miazga i włókna syntetyczne, stosunek ich zawartości wynosi od 1:5 do 5:1, a korzystnie około 1:2,5 do 2,5:1. Włókna syntetyczne mogą być z jednego materiału, mogą być mieszankami składników syntetycznych, włóknami dwuskładnikowymi lub włóknami łączącymi. Typowe są tu takie materiały jak poliestry lub poliolefiny.

Właściwości włókniny poprawiane są poprzez zastosowanie dodatku odpowiedniego spoiwa lub dodatku zwiększającego wytrzymałość w mokrym stanie. Do odpowiednich spoiw można zaliczyć spoiwa chemiczne, jak akryle, polialkohole winylowe, octany winylu, pochodne styrenu, jak kauczuki butadienowo styrenowe, poliestry i inne tradycyjne rodziny spoiw; a także syntetyczne włókna łączące. Powszechnie stosowanymi syntetycznymi włóknami wiążącymi są polialkohole winylowe oraz wiele dwuskładnikowych termoczułych włókien, jak na przykład poliolefiny i poliestry. Stosowna zawartość spoiwa może leżeć w zakresie 2 do 30% wagowych produktu końcowego, przy czym korzystny jest tu dolny zakres tego przedziału, jak na przykład około 3-10%, i bardziej korzystnie około 5%. Wprowadzenie

PL 204 932 B1 spoiwa wykonuje się tradycyjnymi metodami chemicznymi, dodaniem w fazie mokrej, oraz obróbki termicznej. Zamiast stosowania chemicznych spoiw, wstęgi mogą być splątywane hydromechanicznie.

Gramatura długowłóknistego włókninowego materiału wstęgowego może zmieniać się od 50-80 g/m² do około 200 g/m², zależnie od finalnego zastosowania. Korzystny materiał posiada gramaturę powyżej 100 g/m² i typowo zawiera się w zakresie 105-135 g/m², a bardziej korzystnie około 120-130 g/m².

Kompozytowe materiały wielowarstwowe wykonane z wiązek długich włókien naturalnych formuje się poprzez łączenie warstwy takiej włókniny z rozciągliwą pierwszą warstwą o dużej zawartości termoplastów, jak włókna o niskiej temperaturze topnienia oraz warstwą pokrycia o dużej zawartości miazgi drzewnej lub innego naturalnego bądź syntetycznego włókna. Kompozyt może być utworzony poprzez zastosowanie trzech oddzielnych i różnych warstw, lub licznych innych warstwowych kombinacji posiadających wyżej wspomniane właściwości oraz splątywane hydromechanicznie ze sobą do postaci pojedynczego wykończonego wyrobu kompozytowego. Inne sposoby łączenia różnych warstw obejmują, lecz bez ograniczenia, igłowanie, wiązanie w temperaturze topnienia, laminowanie klejowe i wielofazowe formowanie w procesie mokrego układania.

Typowo proces hydromechanicznego splątywania wykonuje się zgodnie z opisem patentowym nr U.S. 5,515,320, co przytoczono tu dla informacji. Choć patent ten dotyczy wstęgi włóknistej zawierającej znaczną ilość włókien syntetycznych, korzystnie w zakresie 40-90% tych włókien, opisana technika prowadzenia operacji splątywania hydromechanicznego może być zastosowana do materiału wstęgowego według obecnego wynalazku. Splątywanie hydromechaniczne powoduje łączenie włókien tworzących wstęgę w taki sposób, że doprowadzona energia całkowita korzystnie wynosi poniżej około 1,06 MJ/0,45 kg (0,4 koniogodziny na funt) wstęgi. Całkowita energia potrzebna do obróbki wstęgi może zawierać się w zakresie od jedynie około 0,027 MJ/0,45 kg wstęgi i typowo wynosi od około 0,267 do 0,66 MJ/0,45 kg wstęgi (od jedynie 0,01 i typowo wynosi 0,1 - 0,25 koniogodziny na funt wstęgi).

Korzystnym materiałem dla termoplastycznej zawartości pierwszej warstwy kompozytu mogą być arkusze typu „spunbond” wszystkich rodzajów, materiał splątany typu „spundbond” lub inne, włączając w to siatki, z których wszystkie posiadają wydłużenie korzystnie 15% lub powyżej w obu kierunkach planarnych. Korzystnymi termoplastami są niskotopliwne poliolefiny, jak na przykład polietylen lub polipropylen, lecz mogą zawierać również materiały zależne od wymogów temperatury termoformowania kompozytu. Mogą być zastosowane dostępne handlowo warstwy typu „spunbond. Ich gramatura wynosi około 10 - 50 g/m², i korzystnie 20 g/m². Podczas procesu termoformowania termoplastyczna zawartość tej warstwy ulega stopieniu i zachowuje się tak jak matryca żywicy, wzmacniająca naturalne włókna, i jako środek klejący, zwiększający adhezję do innych elementów formowanego zespołu warstwy wierzchnich obić tapicerskich.

Warstwę pokrycia umieszcza się na przeciwnej stronie wstęgi zawierającej długie włókna z wiązanego w przędzeniu materiału typu „spundbond” i jest to typowo podłoże o dużej zawartości miazgi drzewnej, jak na przykład papier lub włóknina. W warstwie pokrycia mogą być zastosowane inne włókna, jeśli są one odporne na temperaturę występującą w warunkach termoformowania i w równym stopniu będą tworzyć charakterystykę dla bariery przepływu żywicy i smarowania formy. Należą do nich, lecz bez ograniczenia, włókna poliaramidowe i ich masy. Korzystnym sposobem wytwarzania tej warstwy jest proces mokrego układania, co wynika z jakości formowania i możliwości kontrolowania porowatości.

Po uformowaniu na maszynie papierniczej układanego na mokro arkusza wiązek włókien może on być powleczony podłożami z materiału typu „spunbond jako arkuszem spodnim, i włókniną o dużej zawartości miazgi drzewnej jako wierzchem czyli arkuszem pokrycia, po czym kompozyt ten jest poddawany splątywaniu hydromechanicznemu.

Uzyskany kompozyt zawierający warstwę wiązek naturalnego włókna pomiędzy dwoma otaczającymi warstwami łatwo może być użyty w zastępstwie aktualnych laminatów zawierających szkło, folie i włókninę. Przykładowo,

1. Materiał termoplastyczny typu „spundbond” (lub splatany) o niskiej temperaturze topnienia, na przykład polipropylen lub polietylen

2. Cięte wiązki włókna naturalnego (zawierające inne włókna, lub nie)

3. Układana na mokro miazga: celuloza/PET, itp.

Warstwa centralna ma zasadniczo większą sztywność, gramaturę i ciężar niż otaczające warstwy pokrycia. Warstwa typu „spundbond” zapewnia wydłużenie i klejenie z innymi warstwami w tym

PL 204 932 B1 kompozycie, natomiast układana na mokro warstwa pokrycia celulozowego tworzy właściwości zaporowe oraz daje dobre smarowanie formy.

Po ogólnym opisaniu wynalazku podano dalej przykłady ilustracyjne, co ułatwia zrozumienie wynalazku, jednakże bez ograniczenia jego zakresu. Jeżeli nie zaznaczono inaczej, wszystkie wielkości zostały podane poniżej w odniesieniu wagowym.

P r z y k ł a d

Wykonano szereg arkuszy laboratoryjnych, stosując laboratoryjną formę do arkuszy według metody Willamsa. W zestawie włókien występowało 80% nieroztworzonych włókien roślinnych, 15% miazgi papierniczej z drzew iglastych i 5% włókien polialkoholu winylowego o długości 4 mm i denier 1 dpf. Jako długie nieroztworzone włókna roślinne zastosowano ekwadorską agawę, południowo afrykański sizal, chiński kenaf i belgijski len. Długość ciętych wiązek włókien podano w Tabeli II. Wykonano dziesięć laboratoryjnych arkuszy z każdego typu włókien roślinnych o końcowej gramaturze 100 g/m². Arkusze te zastosowano następnie jako wzmocnienie na każdej stronie półsztywnego rdzenia z pianki poliuretanowej, występującego w handlu (Foamex International, Inc.,) w wielkości 250 mm x 250 mm x 6,5 mm, o gęstości 30,4 kg/m³. Konstrukcja piankowo arkuszowa została pokryta klejem poliuretanowym, Reichold #2U010 i przeprowadzono katalizę w stosunku 10:1 z zastosowaniem Reichold #22014. Następnie każda strona pianki została pokryta docelową ilością kleju 40 g/m² za pomocą ręcznego wałka, oraz katalizatorem ze sprejowego pojemnika. Na zewnętrzną stronę wzmacniających arkuszy laboratoryjnych nałożono papier smarujący formę w postaci celulozowych włókien o gramaturze 22 g/m². Ostatnią warstwą tego kompozytu był zdzieralny papier nałożony na obie strony.

Warstwowy kompozyt sprasowano na gorąco (121°C, 50s) (250°F, 50s) do grubości 5 mm na laboratoryjnej prasie Model #Q-230C. Jako kontrolne próbki porównawcze wykonano również na piankowym rdzeniu warstwy wzmocnione matą włókna szklanego o gramaturze 88 g/m².

Wykonane na gotowo próbki z piankowym rdzeniem pocięto dla uzyskania dziesięciu próbek dla każdego typu włókna. Próbki te badano w zakresie sztywności kompozytu z zastosowaniem standardowej procedury według ASTM D790-96a. Jest to próba trzypunktowego zginania, w której mierzona jest siła wytwarzająca strzałkę ugięcia próbki 0,635 cm (0,25 cala) w środkowej części rozstępu między podporami. Rozstęp między podporami próbki był stały, i określono stosunek (iloraz) rozstępu do głębokości.

W Tabeli II przedstawiono zestawienie zmierzonych w próbie właś ciwości dl warstwowych struktur z piankowym rdzeniem. Dane wyraźnie wykazują, że nieroztworzone włókna roślinne z powodzeniem zastępują włókna szklane dla tych typów struktur, jakie typowo stosuje się w wierzchnich obiciach tapicerskich w samochodach. Dla tego zastosowania jako minimalne wymaganie dla siły ugięcia podano siłę 10N. Wszystkie struktury kompozytowe zawierające laboratoryjne arkusze włókninowe układanych na mokro wiązek włókien naturalnych przekroczyły to minimum. Można przewidzieć inne zastosowania włókniny układanych na mokro długich naturalnych włókien zamiast wzmocnień w postaci włókien szklanych, na przykład w zastosowaniach budowlanych, pokryciach ścian, form plastikowych, i innych.

T a b e l a II

Włókno	Długość włókna [mm]	Średni ciężar kleju [g]	Średnia siła ugięcia [x0,45 kg] [funt]	Moduł sprężystości [kPa] [funt/cal²]
Sizal	22	6,29	4,51 ± 0,80	293,08 (42,508)
Manila	25	6,58	4,26 ± 0,56	276,42 (40,091)
Agawa	25	7,35	3,36 ± 1,18	217,84 (31,595)
Len	13	7,26	3,11 ± 0,64	202,05 (29,305)
Szkło	51	7,39	2,61 ± 0,50	169,58 (24,595)

PL 204 932 B1

P r z y k ł a d 2

W przykładzie tym wykazano, że do wiązania włókniny układanych na mokro długich naturalnych włókien zamiast włókien wiążących według Przykładu 1 mogą być stosowane spoiwa chemiczne.

Układana na mokro włóknina została uformowana z zestawu włókien zawierającego 65% nieroztworzonych włókien sizalowych pociętych na długość 22 mm, 10% 18 mm x 1,5 denier włókna poliestrowego oraz 25% szybko (gwałtownie) suszonej miazgi drzewnej. Wstęga została uformowana na maszynie papierniczej z pochylonym sitem wstrząsanym, do gramatury 123 g/m². Uformowana wstęga włókninowa została przeniesiona z sita formującego, wysuszona i na stanowisku dwustronnego natryskiwania nałożono płynny środek wiążący. Jako środek wiążący zastosowano tu etylenowy octan winylowy (EVA), (np. Vinnapas 426). Natryskiwany roztwór zawierał 6% frakcji stałej EVA, a odbiór środka wiążącego przez wstęgę wyniósł 6,5 g/m², dla gotowej włókniny o gramaturze 130 g/m². Właściwości dla tej włókniny podano w Tabeli III.

P r z y k ł a d 3

W przykł adzie wykazano, ż e przy zastosowaniu takich samych warunków formowania i wi ą zania jak w przykładzie powyżej można użyć inne zestawy włókien, dla uzyskania innych właściwości układanej na mokro włókniny.

W tym przykładzie zastosowano 70% nieroztworzonych włókien sizalowych pociętych na długość 22 mm, 10% włókien polietylenowo-polipropylenowych 5 mm x 2,2 denier (typ Herculon T-410, FiberVisions) i 20% szybko (gwałtownie) suszonej miazgi drzewnej. Wykorzystano to samo spoiwo EVA jak w Przykładzie 2 i w tej samej ilości, do gramatury 130 g/m². Właściwości fizyczne tej wstęgi podano dla porównania z Przykładem 2 w Tabeli III.

T a b e l a III

	Przykład 2	Przykład 3
Gramatura [g/m²]	128,9	131,7
Rozciągliwość MD [N/m]	1436	942
Rozciągliwość CD [N/m]	709	491
Grubość [μιτι]	1382	1405
Gęstość [kg/m³]	93	94
Wydłużenie MD [%]	4,5	2,9
Wydłużenie CD [%]	7,7	4,7

P r z y k ł a d 4

Poniżej przedstawiono różne przykłady splątanych hydromechanicznie kompozytów zawierających układaną na mokro włókninę długich włókien naturalnych, jako środkową warstwę trzywarstwowego kompozytu. Kompozyty te poddano hydromechanicznemu splątaniu przy szybkości linii wynoszącej około 10,67 m/min (35 stóp/minutę). Zastosowano natrysk strumieni wody z czterech zespołów zawierających po 20,08 otworu/cm (51 otworów/cal) o średnicy 92 μm, skierowanych na wierzchnią warstwę celulozy dla uzyskania pożądanego efektu splątania. Włókna celulozowe pod wpływem strumieni wody są wpychane w środkową i dolną warstwę, zapewniając zadowalające wiązanie mechaniczne.

Próbka		Warstwy kompozytu
A	Wierzch	31 g/m²: 65% masy celulozowej, 35% PET 18 mm (bez spoiwa)
	Środek:	80 g/m²: 40% nieroztworzonego sizalu, 20% nieroztworzonej manilli, 10% ścieru iglastego, 10% miazgi PE, 20% PET 20 mm (bez spoiwa)
	Spód:	20 g/m²: 18% punktowo wiązanego w przędzeniu polipropylenu
B	Wierzch:	31 g/m²: 65% masy celulozowej, 35% PET 18 mm (bez spoiwa)
	Środek:	80 g/m²:40% nieroztworzonego sizalu, 20% nieroztworzonej manilli, 10% ścieru iglastego, 10% masy PE
	Spód:	10 g/m²: kalandrowany polipropylen wiązany w przędzeniu
C	Wierzch:	40 g/m²: 65% masy celulozowej, 35% PET 18 mm (bez spoiwa)

PL 204 932 B1

Środek: 60 g/m²: 60% nieroztworzonego sizalu, 20% ścieru iglastego, 18% PET mm (bez spoiwa)

Spód: 20 g/m²: 18% punktowo wiązanego w przędzeniu polipropylenu

Wierzch: 31 g/m²: 65% masy celulozowej, 35% PET 18 mm (bez spoiwa)

Środek: 60 g/m²: 60% nieroztworzonego sizalu, 20% ścieru iglastego, 20% PET mm (bez spoiwa)

Spód: 30 g/m²: kalandrowany polipropylen wiązany w przędzeniu

Właściwości kompozytów podano w Tabeli IV

T a b e l a IV

Próbka	A	B	C	D
Gramatura [g/m²]	133	108	127	114
Rozciąganie w stanie suchym, MD [g/25 mm]	2683	1755	3318	1374
Rozciąganie w stanie suchym, CD [g/25 mm]	1290	556	692	608
Wydłużenie w stanie suchym, MD [%]	22,3	18,6	28,6	10
Wydłużenie w stanie suchym, CD [%]	36,8	39,1	11,4	17,6
Wiązkość w stanie suchym, CD [g cm/cm²]	326	174	343	65
Wiązkość w stanie suchym, MD [g cm/cm²]	186	94	35	36
Wytrzymałość na pękanie według Mullena [G/m²]	3780	1634	2669	1200

P r z y k ł a d 5

Przygotowano wstęgi ułożonych na mokro wiązek długich naturalnych włókien na wyposażeniu pilotażowym i komercyjnym i przebadano jako zamienniki mat z włókna szklanego w warstwie wierzchnich obić tapicerskich. Maty z włókna naturalnego zastosowano w różnych kombinacjach, jako pojedynczą powłokę wiązanej żywica struktury lub jako kompozyt wielowarstwowy. W Tabeli V przedstawiono cztery próbki A-D, z podaniem danych fizycznych.

Próbka A - Kompozyt splątywany hydromechanicznie Wierzch: 35 g/m² celuloza i PET

Środek: 110 g/m² nieroztworzony sizal, polipropylen, celuloza

Spód: 20 g/m² polipropylen

Próbka B - Kompozyt:

Wierzch: 35 g/m² celuloza i PET Środek: 22 g/m² polietylenowa folia

Spód: 130 g/m² nieroztworzony sizal, PET, celuloza

Próbka C - Pojedyncza warstwa:

125 g/m² nieroztworzony sizal, PET, celuloza, 15% - 20%EVA

Próbka D - Pojedyncza warstwa:

₂

135 g/m² nieroztworzony sizal, PET, celuloza, 4% włókna łączącego

PL 204 932 B1

T a b e l a V

Próbka	A	B	C	D
Gramatura [g/m²]	168	185	127	135
Rozciąganie MD w stanie	3120	13200	6590	1135
suchym, MD [25 mm]
Rozciąganie MD w stanie	1460	4950	2870	495
suchym, CD [25 mm]
Ziarno (CD/MD)	0,47	0,375	0,436	0,436
Wydłużenie w stanie	20,1	17,2	12,8	2,2
suchym, MD [%]
Wydłużenie w stanie	39,1	18,8	23,6	7,9
suchym, CD [%] Wytrzymałość ha	3100	---	4060	790
rozerwanie według Mullena [G/m²] Zawartość sizalu [g/m²]	~65	~65	~65	~65

Te same próbki zastosowano na przedniej stronie (w sąsiedztwie powierzchni tkaniny) i na tylnej stronie, jak pokazano w tabeli VI, i uformowano do postaci warstwy wierzchnich obić tapicerskich. Temperatura formy wynosiła 143°C, a czas wyczekiwania 50 s. Wszystkie próbki wykazały dobre smarowanie formy, zadowalający upust poprzez zabezpieczenie i odpowiednią sztywność oraz wszystkie spełniły próbę wilgotności przy wilgotności względnej 95% w 38°C przez 100 godzin.

T a b e l a VII

Próba dla obić tapicers.	1	2	3	4	5	6
Próbka z włókniną na przedniej stronie	C	C	C	D	D	D
Próbka z włókniną na tylnej stronie	C	B	A	B	D	A
Całkowita zawartość sizalu [g/m²]	130	130	130	158	186	158
Całkowity ciężar włókniny [g/m²]	254	312	295	320	270	303
Wytrzymałość poprzeczna, MD [N]	18,4	19,3	13,9	18,5	19,8	14,8
Wytrzymałość poprzeczna, CD [N]	8,8	9,2	10,1	9,2	13,6	11,0
Średnia geometr. wytrzymałości poprzeczna	12,7	13,3	11,8	13,0	16,4	12,6

Wydłużenie próbki A umożliwia zastosowanie jej w układach głębokiego tłoczenia, głównie dzięki strukturze hydromechanicznego splątania. Umieszczona na przedniej stronie próbka C o dużej zawartości spoiwa powodowała występowanie zmarszczeń, które były widoczne poprzez tkaninę. Do głębokiego tłoczenia zalecane jest zatem zastosowanie próbki 6.

Dla specjalistów będzie oczywiste wprowadzenie zmian opisanej powyżej struktury bez odstępstwa od ducha i zakresu tego wynalazku, które zostały określone w załączonych zastrzeżeniach.

Claims

1. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy zawierający długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych w ilości co najmniej 30% wagowych w stosunku do zawartości włókien w materiale włókninowym, przy czym długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych mają długość włókien od 10 mm do 100 mm, znamienny tym, że nie roztworzone wiązki naturalnych

PL 204 932 B1 włókien roślinnych są utrzymywane w postaci wiązek włókien poprzez naturalne środki wiążące obejmujące ligninę i hemicelulozę.

2. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązki włókien naturalnych są włóknami powroźniczymi.

3. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązki naturalnych włókien roślinnych są dobrane z grupy obejmującej sizal, manilę, agawę, kenaf i jutę.

4. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązki naturalnych włókien roślinnych są pocięte na długość w zakresie około 10-50 mm.

5. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ponadto składnik w postaci włókien miazgi.

6. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera składnik w postaci włókien syntetycznych.

7. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 6, znamienny tym, że składnik w postaci włókien syntetycznych jest wybierany z grupy obejmującej poliester, acetylocelulozę, jedwab wiskozowy, nylon lub włókna poliolefinowe.

8. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że gramatura materiału wstęgowego wynosi nie więcej niż około 200 g/m².

9. Układany na mokro włókninowy materiał wstę gowy według zastrz. 1, znamienny tym, że gramatura materiału wstęgi wynosi co najmniej około 100 g/m².

10. Układany na mokro włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że nie roztworzone wiązki włókien mają moduł sprężystości w zakresie około 1,38 x 10¹⁰ - 3,45 x 10¹⁰ Pa (2-5 x 10⁶ psi).

11. Włókninowy materiał wstęgowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera co najmniej 55% wagowych w stosunku do zawartości włókien materiału włókninowego, nie roztworzonych wiązek naturalnych włókien.

12. Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy zawierający warstwę włókninowego materiału wstęgowego oraz warstwę wstęgi włókien miazgi, przy czym warstwa włókninowego materiału wstęgowego zawiera długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych w ilości co najmniej 30% wagowych w stosunku do zawartości włókien w materiale włókninowym, przy czym długie nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych mają długość włókien od 10 mm do 100 mm, znamienny tym, że we włókninowym materiale wstęgowym nie roztworzone wiązki naturalnych włókien roślinnych są utrzymywane w postaci wiązek włókien poprzez naturalne środki wiążące obejmujące ligninę i hemicelulozę.

13. Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy według zastrz. 12, znamienny tym, że warstwy są połączone poprzez splątywanie hydromechaniczne.

14. Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy według zastrz. 12, znamienny tym, że warstwy są zamocowane wiązaniem chemicznym.

15. Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy według zastrz. 12, znamienny tym, że zawiera ponadto wstęgę materiału typu „spun-bond”, umieszczoną na przeciwnej stronie wstęgi materiału włókninowego w stosunku do wstęgi włókien miazgi.

16. Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy według zastrz. 12, znamienny tym, że kompozyt jest termoformowalny pod naciskiem.

17. Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy według zastrz. 12, znamienny tym, że zawiera ponadto warstwę piankową z zamocowanym włókninowym materiałem wstęgowym po jej przeciwnych stronach.

18. Kompozytowy wielowarstwowy materiał arkuszowy według zastrz. 12, znamienny tym, że jego przeciętna siła ugięcia wynosi co najmniej około 10 N (2,25 funta).