СТЕРЖНИ С ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ АРМИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ПОЛУЧЕНИЕ
RODS WITH HIGH CONCENTRATION OF REINFORCEMENT ELEMENTS AND THEIR PRODUCTION

Настоящее изобретение относится к способу изготовления стержней с высокой концентрацией армирующих элементов, использующихся, в частности, для изготовления композитных продуктов методом литья (в частности, под давлением, экструзией-прессованием, совместной отливкой и т.д.), и относится также к полученным продуктам.
В указанных способах литья (в частности, под давлением или экструзией-прессованием) обычно используются смеси органических материалов, армирующих волокон (таких, как стекловолокна) и добавки (например, для окрашивания или придания особых функций). Смешение может проводиться прямо в экструдере или в прессе для литья под давлением исходя из усилительных нитей, которые могут уже быть покрыты или нет органическим материалом и которые обычно уже нарезаны, чтобы облегчить дозировку и смешение, причем при необходимости в экструдер или пресс добавляются другие возможные компоненты.
Авторы изобретения стремились разработать продукт на основе элементов упрочнения, которые могут с выгодой использоваться в этих способах литья, причем искомые преимущества могут быть тем и/или другим из следующих преимуществ: выигрыш в стоимости, лучшая сохранность элементов упрочнения (например, длины усилительных нитей) для лучших механических свойств, лучшее распределение во время отливки, легкость перенастройки в зависимости от желаемых продуктов, простота применения и т.д.
В этом стремлении авторы изобретения поставили в первую очередь задачу разработать продукты в виде стержней (или зерен, или "гранул"), содержащих высокую концентрацию упрочняющих элементов, причем эти продукты могут давать различные преимущества, такие, какие будут сформулированы ниже, и таким образом разработали способ, позволяющий легко получать эти продукты, причем получение таких высококонцентрированных продуктов простым и высокопроизводительным способом из традиционных элементов упрочнения до настоящего времени было невозможным, так как повышение содержания упрочняющих элементов могло, в частности, вызвать проблемы отсутствия целостности полученных продуктов или плохое распределение этих продуктов в пресс-формах.
Поэтому настоящее изобретение относится в первую очередь к способу изготовления высококонцентрированных стержней, в котором по меньшей мере один пучок нитей, содержащий более 70 вес.% упрочняющего материала(ов) и по меньшей мере 0,1 вес.% влаги, нагревают и формируют перед тем, как нарезать на стержни.
Полученные стержни содержат упрочняющий материал в основном в виде нитей или волокон (нарезанных на длину стержня), преимущественно соединенных между собой с помощью по меньшей мере одного органического материала, какой будет указан ниже.
Настоящее изобретение относится также к стержням с высокой концентрацией армирующих элементов (или армирующим нитям в виде стержней), разработанным и полученным, в частности, по предшествующему способу. Эти стержни имеют содержание упрочняющего материала(ов) выше 65%, предпочтительно выше 70% (даже по меньшей мере 80%) по весу. Эти элементы упрочнения связаны между собой или залиты по меньшей мере одним первым органическим материалом и, при необходимости, покрыты оболочкой из по меньшей мере одного второго материала, обычно по меньшей мере одного органического материала, какой будет явно указан позднее, причем эти два органических материала могут быть одинаковыми или разными.
Указанный пучок нитей согласно изобретению содержит по меньшей мере один упрочняющий материал (стекло, углерод, арамид и т.д., причем этот материал предпочтительно является стеклом) в виде по меньшей мере части указанных нитей или в виде волокон (обычно полученных способом, известным как вытягивание этого материала из фильеры, причем затем эти волокна собирают в нити), образующих по меньшей мере часть указанных нитей, причем согласно изобретению доля упрочняющего материала(ов) в пучке составляет более 70 вес.% и предпочтительно находится в интервале от 75 до 99 вес.%, даже от 80 до 95 вес.%.
Предпочтительно, по меньшей мере часть использующихся нитей содержит также по меньшей мере один органический термопластичный материал, причем этот материал выбран, например, из полиолефинов, в частности полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), сложных полиэфиров, в частности, полиэтилентерефталата (ПЭТ), полибутилентерефталата (ПБТ), эластомеров, в частности сополимера этилена с пропиленом (EPDM), или поливинилхлорида (ПВХ), или полиамидов и т.д. Преимущественно, этот материал также находится в пучке в виде нитей или волокон.
В частности и предпочтительно, по меньшей мере часть нитей, использующихся в способе согласно изобретению, являются композитными (или смесовыми) нитями, образованными из армирующих волокон (предпочтительно стекла) и волокон по меньшей мере одного органического термопластичного материала, причем эти волокна преимущественно однородно перемешаны, поскольку внутренняя структура этих нитей облегчает пропитку стекловолокон термопластичным материалом и, в способе согласно изобретению, позволяет, несмотря на высокое содержание элементов упрочнения, образовать консолидированную структуру (то есть имеющую когезию и целостность, что позволяет обращаться с ней, не повреждая), хорошо пропитанную и однородную. Выгодные композитные нити (такие, как нити, выпускаемые в продажу под торговым наименованием TWINTEX компанией SAINT-GOBAIN VETROTEX FRANCE) могут быть получены по прямому способу, как описанный в патентах EP 0367661, WO 98701751 или EP 0599695, причем эти нити имеют отличный показатель смешения, приводящий к отличному распределению стекловолокон в термопластичном материале, как указано явно в патентной заявке WO 00/24566.
В способе согласно изобретению особенно предпочтительно в качестве нитей, образующих пучок, использовать только композитные нити. Однако не исключается, в частности, комбинировать композитные нити и упрочняющие нити, чтобы еще больше повысить концентрацию в стержнях упрочняющих элементов.
В комбинации с повышенным содержанием элементов упрочнения, чему благоприятствует, в частности, предпочтительное использование таких композитных нитей, как указанные ранее, авторы изобретения установили также, как это выявляется в дефиниции изобретения, выгоду использования пучка, имеющего влажность (доля воды, измеренная, например, выпариванием в сушильном шкафу) по меньшей мере 0,1%, предпочтительно по меньшей мере 0,5% и особенно предпочтительно по меньшей мере 3 вес.%; наличие некоторой влажности не только не наносит вред использованию и свойствам полученных продуктов, но действительно дает хорошую обрабатываемость нитей в процессе изготовления стержней согласно изобретению, позволяя получить продукты, имеющие по меньшей мере такие же хорошие и даже лучшие механические свойства, чем у продуктов, полученных из предварительно высушенных нитей, и получая экономическую выгоду (можно, в частности, напрямую использовать нити, полученные или собранные под фильерой, без дорогостоящего промежуточного этапа сушки). Предпочтительно, влажность выбирается также ниже 8%, благоприятно ниже 5 вес.%, чтобы позволить, в частности, хорошую консолидацию нитей и пучка в процессе по изобретению.
Нити могут быть образованы заранее или вытянуты по отдельности или группами, по меньшей мере с одной обмотки. Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, вытягивают по меньшей мере с одной обмотки, такой как обмотка армирующих волокон или ровинга, которые тянут со скоростью по меньшей мере 10 м/мин, предпочтительно несколько десятков метров в минуту, в частности, порядка 40-100 м/мин, в частности порядка 50 м/мин, с помощью, например, устройства вытягивания (которое может быть, в частности, вытяжным станком).
Предпочтительно можно предусмотреть этап регулирования натяжения нитей (например, при их сборке в пучок(пучки) или перед их сборкой), и/или с нитей может быть снято имеющееся статическое электричество, например, перед проведением в зону нагрева.
Нити собирают по меньшей мере в один пучок, такой как упомянутый в способе согласно изобретению. Само собой разумеется, что можно также сформировать несколько отдельных пучков, подвергая их параллельно такой же обработке или другим обработкам, причем по меньшей мере один из пучков проходит через этапы, указанные в способе согласно изобретению, чтобы получить высококонцентрированные стержни.
Согласно изобретению, по меньшей мере один пучок нагревают (обычно путем проведения в по меньшей мере одно устройство нагрева, такое как печь с инфракрасным облучением) до температуры, позволяющей придать ему форму и/или уплотнить и позволяющей при необходимости пропитать армирующие нити или волокна органическим материалом, в частности, при температуре, доходящей по меньшей мере до температуры плавления термопластичного материала, находящегося внутри пучка нитей, и предпочтительно по меньшей мере на 20°C выше указанной температуры плавления термопластичного материала, но эта температура остается, тем не менее, ниже температуры разложения указанного материала и температуры плавления упрочняющего материала.
Обычно нагретый пучок нитей удерживают примерно при этой температуре до его формования (или калибровки), причем формирование благоприятно осуществлять путем проведения через одну, а предпочтительно несколько калибровочных фильер до получения желаемого сечения. В рамках способа согласно изобретению и для того, чтобы получить удовлетворительный выход с производственной линии, в сочетании, в частности, с упомянутыми выше скоростями вытягивания, выбранные фильеры имеют благоприятно простой профиль(и) в направлении производственной линии и уменьшающееся сечение(я).
В ходе и/или после нагрева и предварительно и/или вместе с вышеуказанным формованием пучок при необходимости можно также подвергнуть этапу, облегчающему пропитку армирующих нитей или волокон присутствующим органическим материалом, путем проведения в такое устройство, как одна или несколько решеток. Можно использовать несколько таких устройств, причем первое помещают, например, между двумя устройствами нагрева на этапе нагревания согласно изобретению, а другое помещают непосредственно перед фильерой или калибровочными фильерами.
Вышеуказанный этап или этапы формования и пропитки облегчают получение консолидированного пучка (или пропитанного, или объединенного, то есть в котором нити связаны между собой, причем этот консолидированный пучок согласно настоящему изобретению называется также термином пруток или прядь, а также жгут, кабель или корд).
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, после или в ходе формования пучок нитей подвергают, кроме того, этапу покрытия оболочкой путем проведения в фильеру, в которую подается также по меньшей мере один органический материал в расплавленном состоянии, причем этот материал может быть идентичным или отличным от органического материала, образующего нити. Материал оболочки может также быть композитным, образованным из нескольких материалов, в частности, из по меньшей мере одного органического материала и добавки(ок) (например, добавка, улучшающая устойчивость к ультрафиолетовому излучению, связующе для улучшения механических характеристик, термостабилизатор или химический стабилизатор, краситель или пигмент, огнезащитный состав и т.д.) и/или наполнителя(ей) (тальк, стекловолокна, короткие или длинные, и т.д.). Материал для покрытия оболочкой может, таким образом, благоприятно давать возможность придавать дополнительные свойства получаемым стержням и композитам, отлитым из этих стержней (стойкость к УФ, улучшение механических характеристик и т.д.). Наличие уже функционализованных продуктов позволяет также использовать во время литья только стандартные недорогие разбавители, что упрощает литье и снижает его стоимость.
Покрытие оболочкой препятствует также образованию волоконцев или мелочи (волокон, оторвавшихся от стержня) при нарезании на стержни, причем эти волоконца могут создавать проблемы с транспортировкой или засорением механизмов нагнетания при литье (и повреждать системы транспортировки или указанные механизмы нагнетания) и могут ухудшить механические свойства полученных продуктов. Покрытые оболочкой стержни вполне пригодны также для обработки, дозировки и транспортировки по подающим трубопроводам, так как сглажены оболочкой, причем оболочка, кроме того, действует как защита и не теряет целостности до своего использования при получении композитов методом литья. Наконец, покрытие оболочкой позволяет устанавливать по команде содержание элементов упрочнения, варьируя инлайн (во время изготовления) количество подаваемого материала для оболочки, и позволяет таким образом получить стержни с различными концентрациями элементов упрочнения из исходного продукта, который выгодно не менять.
Предпочтительно, материал оболочки содержит по меньшей мере один органический термопластичный материал, например, полиолефин (в частности, полиэтилен или полипропилен) или поливинилхлорид, или эластомер, например, SEBS модифицированный полипропилен (стирол-этилен-бутадиен-стирол) и т.д. При необходимости этот материал благоприятно выбирают идентичным, или сходным, или химически совместимым с органическим материалом нитей (так, чтобы между этими двумя материалами была хорошая адгезия и даже связность), причем этот материал может при необходимости быть насыщен упомянутыми ранее добавками.
Материал оболочки, введенный в фильеру, может быть взят, например, с устройства экструзии. Пучок может также быть покрыт несколькими одинаковыми или разными материалами, подающимися в фильеру (или при необходимости в несколько фильер, последовательно или параллельно), причем этот вариант позволяет еще больше расширить диапазон полученных продуктов. Когда параллельно обрабатывается несколько пучков, материал оболочки может при необходимости меняться от пучка к пучку. Толщина оболочки может быть разной, например для стержня толщиной порядка 3 мм оболочка может быть толщиной примерно 0,1 мм или составлять одну десятую толщины стержня и даже больше.
После формования и возможного покрытия оболочкой полученный пучок обычно охлаждают (путем проведения, например, в бак с водой или холодную фильеру), при необходимости сушат (путем обдувки или отсасывания), затем режут или пилят (например, с помощью фрезы или гранулятора с вращающимися ножами) на стержни с длиной, обычно составляющей от 1 до 40 мм, предпочтительно от 5 до 30 мм, например порядка 12 мм.
Как пояснялось ранее, способ и продукты согласно изобретению имеют преимущество в том, что они применимы без изменения исходных продуктов. Кроме того, способ согласно изобретению осуществляется легко и быстро и является экономичным.
Стержни согласно изобретению содержат высокую долю упрочняющих элементов, какие определены ранее, будучи цельносвязанными и при необходимости хорошо пропитанными, и могут иметь оболочку, как указанная ранее. Преимущественно, стержни (в частности, покрытые оболочкой) имеют содержание волоконцев ниже 60, предпочтительно 30, и особенно предпочтительно 20 мг на кг стержней (эту долю измеряют, встряхивая стержни над сукном и отсасывая волоконца с помощью аспиратора, снабженного фильтром). С ними легко обращаться и дозировать, и они хорошо распределяются в органической основе при отливке, несмотря на высокое содержание элементов упрочнения. Стержни согласно изобретению обычно имеют длину армирующих нитей, составляющую от 1 до 40 мм, предпочтительно от 5 до 30 мм, например, порядка 12 мм.
Настоящее изобретение относится также к устройству для осуществления выгодного варианта реализации вышеназванного способа. Это устройство содержит одно или несколько средств для получения по меньшей мере одного пучка нитей, по меньшей мере одно средство нагревания указанного пучка, по меньшей мере одно устройство формования, по меньшей мере одну фильеру для покрытия оболочкой, на которую подается по меньшей мере один расплавленный материал, и до получения одновременно пучка нитей и расплавленного материала в контакте с указанным пучком, и по меньшей мере одно устройство резки, чтобы нарезать покрытый оболочкой пучок на стержни.
Устройство может также содержать (в комбинации или в добавлении к вышеуказанным средствам) одно или несколько следующих средств, в частности:
- по меньшей мере один ролик, обеспечивающий проведение нитей;
- средство или средства для захвата нитей;
- средство или средства для сбора нитей в виде по меньшей мере одного пучка параллельных нитей (например, типа платы с ушками, и/или ролика с пазами, и/или скало);
- средство или средства регулирования натяжения нитей, например, перед вышеуказанными средствами сборки;
- средство или средства для поддержания пучка или жгута при температуре, при необходимости по меньшей мере до температуры фильеры;
- устройство или устройства дополнительной пропитки, в частности, до устройства формования;
- средство или средства позиционирования пучка, и т.д.
Большая часть этих устройств уже упоминалась ранее.
В частности, нити могут браться с обмоток, причем эти обмотки могут находиться на сновальной раме, откуда разматываются нити.
Устройство или устройства нагрева содержат обычно печь или печи, например, типа инфракрасной печи, работающей предпочтительно с лампами, мощность которых регулируется в зависимости от температуры пучка, причем этот вид печей преимущественно является одновременно эффективным в плане энергии и легким в регулировке.
В качестве устройства пропитки можно применять, например, устройство, содержащее три элемента, расположенные треугольником, между которыми движется пучок, причем степень отдаленности этих элементов подбирается так, чтобы установить надлежащее давление на поверхности пучка, причем эти элементы могут быть цилиндрическими или в виде стержней.
Собственно говоря, устройства формования могут содержать, например, нагревающую фильеру и/или ролики, между которыми движется пучок нитей, и т.д. Как указывалось ранее, использующиеся фильеры благоприятно имеют простой профиль, например, с постепенно меняющимся (например, уменьшающимся) сечением, затем c постоянным, вдоль оси, параллельной направлению производственной линии.
Фильера для покрытия оболочкой может также содержать одно или несколько средств для нанесения материала оболочки, прикладывая повышенное давление. Указанный материал может приходить в контакт со жгутом через различные каналы в фильере. В зависимости от сечения фильеры, и/или наличия разных каналов, и/или приложения повышенного давления, и/или позиционирования пучка в фильере, количество поступающего материала(ов) может быть разным в разных точках профиля пучка.
Расплавленный материал оболочки поступает обычно по меньшей мере из одного экструдера.
Устройство резки может быть, в частности, гранулятором или фрезой, как упоминалось ранее.
Различные элементы устройства согласно изобретению могут быть закрепленными или при необходимости движущимися (вращательно и/или поступательно).
Изобретение относится также к композитному продукту, полученному отливкой стержней согласно изобретению. Стержни согласно изобретению позволяют получить с высокой производительностью сложные детали (при необходимости содержащие нервюры, выступы и т.д.), имеющие удовлетворительное распределение упрочняющего материала, причем композиты, полученные из этих стержней, имеют, кроме того, хорошие механические свойства.
Композитные материалы, полученные из стержней согласно изобретению, могут быть, например, деталями кузова автомобиля, такими как лицевые панели, приборные доски, элементы дверей, экран под двигателем, обшивка откидных бортов и т.д.