Spôsob výroby polymérneho materiálu plneného dlhými vláknami

Číslo patentu: E 15752

Dátum: 17.01.2011

Autori: Reisinger Walter, Wendelin Gerhard, Feichtinger Klaus, Hackl Manfred

Je ešte 2 strany.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

0001 Predložený vynález sa týka spôsobu podľa predvýznakovej časti nároku 1, prípadne použitia zariadenia na uskutočnenie spôsobu podľa nároku 14.0002 Plnivá sa jednoduchým spôsob miešajú s rôznymi nosnými materiálmi. Ako bežné nosné materiály sú zo stavu techniky známe napríklad termoplastické syntetické látky.0003 Plnivom, ktoré sa stále častejšie používa pre rôzne aplikácie, je prírodné drevo vo forme drevnej múčky, prípadne krátkych drevných triesok. Ďalej sa ako plnivá používajú papierové a celulózové vlákna na ,zmenu vlastností plastov alebo živíc. Tieto materiály na báze dreva sa v súčasnosti používajú s dlžkou vlákien kratšou ako 2 mm.0004 Okrem týchto plnív, prípadne vlákien, principiálne existujú aj priemyselne vyrábané vlákna na báze dreva, ako napríklad vlákna z paliem, vláknítých tráv, ako je bambus, konopa, sisal,atd. Drevo sa tu chápe v prenesenom zmysle. Tieto priemyselne vyrábané vlákna vykazujú väčšiu dĺžku a majú dĺžku väčšiu aj ako 5 mm, výhodne dokonca dĺžku vlákien od 10 do 20 mm. Existujú rôzne spôsoby na súčasne reprodukovateľnú a výhodnú výrobu takýchto technických vlákien.0005 Výhoda väčšej dĺžky vlákien spočíva vtom, že tieto dlhšie vlákna vykazujú v porovnaní s kratšimi drevnými vláknami kratšimi ako 2 mm podstatne lepšie mechanické vlastnosti hotových výrobkov, ako sú profily, panely, atď. Z tohto dôvodu preto existuje praktická potreba výroby produktov z materiálov pokial možno s dlhými vláknami.0006 Takéto materiály s dlhými vláknami sa však môžu vyrobiť relatívne ťažko. Zatiaľ čo pri výrobe nosných materiálov s krátkymi vláknami kratšími ako 2 mm pravidelne nevznikajú žiadne technologické problémy ani pri extrúzii, prímíešanie dlhších vlákien, napríklad s dĺžkou väčšou ako 5 mm, v extrudéri, napríklad pri jednozávitkovkových extrudéroch, vedie k velmi zlému správaniu sa pri vťahovani, prípadne dávkovaní extrudéra. Vedie to vedie bud k Iímitácii príechodnosti, alebo dokonca k úplnému znemožneniu privádzať podstatné množstvá dlhých vlákien do nosného materiálu.0007 Potrebný môže byť prídavok vlákien v rozsahu od 10 do 90 hmotn., čo varíruje podľa aplikácie. Ak sa nepoužije alebo sa nemôže použiť ako nosný materiál, prípadne spojivo žiaden tennoplastický polymér, a ako nosný materiál sa použije duroplast. prípadne živica, existujú aplikačné prípady, v ktorých je požadovaný podiel vlákien vyšší ako 70 , výhodne od 80 do 90 . Práve vtedy, pri takýchto velkých množstvách dlhých vlákien, je vťahovanie do extrudéra velmi kritické a pri zlom vťahovani je ohrozená účinnosť až po nepríechodnosť.0008 Ďalší problém spočíva vo (vodnej) vlhkosti, ktorá sa vláknami vnášaná do systému. vlákna majú, ako každé plnivo, relatívne veľký povrch, na ktorom sa môžu vyzrážať príslušné velké množstvá zvyškovej vlhkosti.0009 Vysoká zvyšková vlhkost sa ale v záverečnom zhutňovaní pri zvýšenej teplote napríklad pri extrúzii prejavuje ako extrémne rušivá a znižuje kvalitu produktu. Napríklad pri extrúzii nosného materiálu plneného drevnou múčkou treba drevnú múčku veľmi intenzívne a nákladne vopred vysušiť, aby sa napríklad v prípade dvojzávitovkových extrudéroch vôbec mohla ešte dosiahnuť postačujúca priechodnosť. Ak je vlhkosť príliš vysoká, odplyňovanie extrudéra je preťažené. čo môže viesť k strate materiálu, prípadne k úplnému zastaveniu zariadenia.0010 V tejto súvislosti vzniká pri spracovaní hygroskopických nosných materiálov a/alebo nosných materiálov citlivých na hydrolytícké odbúravanie, napríklad polykondenzátov, ako sú polyestery. predovšetkým PET, dodatočný problém. V prípade týchto nosných materiálov totiž vedie príliš vysoká zvyšková vlhkosť v násypke práve pri zvýšenej teplote k hydrolytickému odbúravaniu polymérnych reťazcov a k zhoršeniu kvality zlskaného materiálu, prípadne finálneho produktu. Z tohto dôvodu je práve tu potrebné udržiavať vlhkost čo najnižšiu.0011 Potrebné je ale zohľadniť to, že každé predbežné sušenie znamená ďalší krok procesu a že dodatočné predbežné sušenie vyžaduje čas, ako aj energiu.0012 Na druhej strane je však potrebné zohľadniť aj to, že zvyšková vlhkosť prítomná na vláknach je dôležitá a predstavuje určitý typ klzného prostriedku, prípadne udržiava vysokú flexibilitu vlákien. Toto je z hľadiska spracovania rozhodujúce. Ak sú napriklad surové vlákna pred ich primiešaním, prípadne ich spracovaním príliš vysušené, prípadne takmer úplne vysušené. potom sú vlákna veľmi krehké a veľmi ľahko sa Iámu už pri nízkom mechaníckom zaťažení, to-2 znamená, pri spracovaní v reznom zhutňovacom zariadení, ale neskôr pri extrúzii. Týmto sa skracujú dĺžky vlákien a znižujú sa kvalitatívne vlastnosti finálneho produktu, pretože podiely dlhých vlákien. napríklad vlákien s dlžkou väčšou ako 5 mm, dramaticky klesajú, prípadne vo finálnom produkte sú prítomné už len krátke vlákna s dĺžkou kratšou ako 2 mm.0013 Zvyšková vlhkosť použitých surových vlákien preto nesmie byt príliš vysoká, pretože toto má neskôr pri extrúzii negatívny vplyv na nosný materiál, prípadne polymér alebo správanie sa pri extrúzii. Na druhej strane zvyšková vlhkosť nesmie byť ani príliš nizka, pretože inak by sa vlákna počas spracovania polámali a vznikli by len veľmi krátke vlákna, a tým by sa ziskal kvalitatívne nedostatočný finálny produkt.0014 Úlohou vynálezu je teda navrhnúť spôsob výroby polymémeho materiálu plneného dlhšími vláknamí s určitou minimálnou dĺžkou. pričom spôsob súčasne poskytuje vysoke prietokové množstvá a zaisťuje kvalitatívne vysoko hodnotný finálny produkt, v ktorom výhodne zostáva zachovaná pôvodná väčšia dĺžka vlákien.0015 Táto úloha bola vyriešená znakmi význakovej časti nároku 1.0016 V spôsobe výroby polymémeho materiálu plneného dlhšími vláknamí podľa vynálezu sa v reaktore, v násypke, prípadne v reznom zhutňovacom zariadení za neustáleho pohybu a eventuálne za zmenšovania častíc nosného materiálu a za neustáleho udržiavania sypkosti,prípadne granulácie miešajú a zohrievajú vlákna s minimálnou dĺžkou väčšou ako 2 mm. vykazujúce zvyčajne zvyškovú vlhkost od približne 5 do 8 °/u, a nosný materiál.0017 Pohyb je dôležitý na zamedzenie vzniku zhlukov, prípadne zlepenia materiálu. Intenzívny pohyb je potrebný predovšetkým v prípade termoplastických syntetických látok, pretože plastové materiály pri zvýšenej teplote mäknú a stávajú sa lepkavými a mohli by sa zlepiť do zhlukov, prípadne sa spiect, ak by sa neuskutočňovalo neustále premiešavanie. Miešanie týmto slúži aj na to, aby sa surový materiál v násypke, prípadne v reaktore udržiaval aj pri zvýšených teplotách v sypkom a v kusovom stave.0018 Zvýšenie teploty na jednej strane slúži na to. aby sa nosný materiál previedol do zmäknutého, prípadne lepiváho stavu, čím sa uľahčí naviazanie vlákien na nosný materiál. spravidla ešte nedochádza k žiadnemu roztaveniu materiálu. zvýšením teploty sa tak zaistí intenzívne premiešanie medzi vláknamí a nosným materiálom a pripraví sa tiež zmes pre nasledujúce ďalšie zhutñovanie, predovšetkým extrúziu.0019 Okrem toho zvýšenie teploty spôsobí určité sušenie nosného materiálu aj vlákien,ktoré, ako bolo vyššie uvedené, je potrebné na zaručenie výkonnej priepustnosti extrudéra,prípadne na zaistenie kvality materiálu. Týmto sa prostredníctvom zvýšenia teploty odstráni určitý podiel zvyškovej vlhkosti a vlákna sa vysušia.0020 Prihlasovatelka zistila, že na zaručenie úspešného spôsobu je potrebné nastavit v reaktore úplne osobitné podmienky.0021 vlákna, ako aj nosný materiál, by sa najednej strane mali vysušit pokial možno na nízku zvyškovú vlhkosť. Toto sušenie musí byt ale včas zastavaná, prípadne nesmie viest k úplnému vysušeniu vlákien, ale sa môže viesť len do takej miery, aby vlákna boli ešte dostatočne flexibilné. prípadne ohybné, aby sa pri spracovaní v reaktore a pri eventuálne následnom zhutňovaní v extrudéri nepolámali.0022 Týmto spôsobom sa zaručí, že vlákna sú primerane suché a do extrudéra sa neprivádza žiadna rušivá vlhkosť, ale aby napriek tomu boli dostatočne flexibilné, aby sa nezlomili. Týmto zostanú ich dĺžky zachované a požadované ñnálne produkty vykazujú kvalitatívne výhody,ktoré sú dosahujú len s dlhými vláknamí.0023 Na základe tohto je preto potrebné starostlivo zvážiť dvojicu protichodných požiadaviek, na jednej strane sušenia, a na druhej strane dĺžky vlákien. Prihlasovatelka zistila, že problémy známe zo stavu techniky sa môžu vyriešiť týmto spôsobom, prípadne dodržaním vyššie uvedených znakov spôsob a zariadenia.0024 Spôsobom podľa vynálezu sa okrem toho môžu priamo spracoval vlákna v reaktore,t. j. vjednom jedinom kroku spôsobu, súčasne s nosným materiálom. takže miešanie a sušenie sa môže uskutočniť vjednom spoločnom kroku spôsobu. Týmto odpadá nevyhnutnosť sušenia surových vlákien v osobitnom kroku. čím sa spôsob môže realizovať účinnejšie a energeticky0025 spôsobom podľa vynálezu sa týmto môže rýchlo bezpečne riadiť, ako sa musia vlákna vysušiť, prípadne kedy sa dosiahne koncový bod sušenia, prípadne výhodne korelovat stupeň sušenia s intenzitou miešania, prípadne nastavením potrebnej teploty.0026 Prostredníctvom spôsobu podľa vynálezu sa tak vlákna zapracujú do nosného materiálu šetrne a za zachovania ich dĺžky bez toho, aby sa vlákna polámali. Tmto spôsobom sa môže výhodne získať nosný materiál, v ktorom sú zapracované vlákna velkej d žky. pričom vlákna sú súčasne rovnomerne rozdelené v nosnom materiáli a vlákna sú prítomné pokiaľ možno v celistvej forme, a nie ako fragmenty alebo odlomené kusy.0027 Ďalšie výhodné uskutočnenia spôsobu vyplývajú zo znakov závislých nárokov Podľa jedného výhodného uskutočnenia spôsobu sa navrhuje, aby boli vlákna vysušené na zvyškovú vlhkost v rozsahu od 1 do 2 . Týmto v produkte zostáva ešte dostatok vlhkosti na zaistenie dostatočnej flexibility vlákien.0028 Zvlášť výhodné je, akje zaistené, že na miešanie a ohrev nosného materiálu,prípadne vlákien v reaktore sa použije prinajmenšom jeden miešací, prípadne drviaci nástroj,predovšetkým obiehajúci, prípadne otáčajúci sa okolo vertikálnej osi, usporiadaný eventuálne na viacerých nad sebou ležiaclch úrovniach, spracovnými hranami pösobiacimi miešacím a eventuálne dNiacim účinkom na materiál, pričom ohrev sa uskutočňuje prinajmenšom čiastočne,výhodne úplne, pôsobením mechanickej energie. prípadne lrenia na materiál. Pomocou takéhoto zariadenia sa môže mimoriadne dobre riadit nastavenie parametrov.0029 Podľa ďalšieho uskutočnenia spôsobu je výhodné, ak miešacie nástroje za neustáleho udržiavania tlaku, prípadne hustoty, ako aj sypkosti alebo kusovej formy materiálu plnia,prípadne prostredníctvom force-feeding vtláčajú nosný materiál, prípadne zmes špachtľovým spôsobom do skrine vynášacej jednotky priamo pripojenej na reaktor, výhodnejšie závitovkového prepravníka alebo podobne. Ak by sa vynášanie uskutočnilo napríklad do otvorenej násypky, potom by na jednej strane došlo k strate hustoty a materiál by sa okamžite spolu spiekol. Týmto spôsobom by už ďalej nebolo zaistené rovnomerné vťahovanie do extrudéra.0030 Prekvapujúco sa ukázalo, že spôsob podľa vynálezu sa môže mimoriadne výhodne realizovať spôsobom kombinácie rezné zhutňovacie zariadenie - extrudér, známym zo stavu techniky. v ktorom je extrudér priamo pripojený na spodnú oblast reaktora. Prostredníctvom takéhoto zariadenia sa do nosného materiálu môžu veľmi jednoduchým spôsobom vpracovať vlákna dlhej dlžky bez toho, aby sa polámali. Pri tomto sa využívajú viaceré výhody tohto kombinovaného systému. Napríklad sa môže extrudér nútene plniť prostredníctvom miešacich nástrojov v reaktore. Následná závitovka môže byť v závislosti od aplikačného prípadu vyhotovená ako kompletná vytláčacia závitovka, ktorá spracovaný materiál v závislosti od zmesi premieňa bud na granulát, alebo na ñnálny produkt, napríklad dosku alebo profil. Použitím tohto zariadenia je zaručené, že sa uskutoční nielen dobré premiešanie medzi vláknami a nosným materiálom, ale aj to, že zmes získa určitý stupeň predbežného zhutnenia. Prostredníctvom zachovania sypkosti a súčasne tlaku je zaručené rovnomerné plnenie priamo napojeného extrudéra a tiež sa zamedzl čiastočnému chodu na prázdne. Redukciou vlhkosti je umožnené dalšie zhutnenie, až po premenenie na taveninu bez obsahu bublln.0031 Na zachovanie sklonu k sypkosti je všeobecne výhodné, ak sa neuskutoční žiadne úplné roztavenie nosného materiálu. Avšak nosné materiály musia byť schopné zmäknúť na určitý stupeň, aby sa zaistilo dobré zmiešanie s vláknami.0032 Ako nosný materiál sa výhodnejšie použije polymérny, prípadne makromolekulárny materiál, výhodne prírodný polymér, napríklad celulóza alebo lignín, alebo syntetický polymér,napríklad plast, výhodnejšie termoplast alebo nezosieťovaný, prípadne nevytvrdený duroplast,alebo prírodná alebo syntetická živica. Ako možné nosné materiály prichádzajú do úvahy napríklad parafiny, vosky, oleje, atď.0033 Výhodné spracovanie polymérneho nosného materiálu, predovšetkým termoplastického materiálu, sa uskutočňuje v reaktore pri teplote vyššej ako je teplota skleného prechodu a nižšej ako je rozsah tavenia, výhodnejšie pri teplote, pri ktorej je materiál v zmäknutom stave. Pri tomto sa materiál súčasne kryštalízuje, suši sa a/alebo sa čistí, alebo eventuálne môže dokonca zvyšovať viskozitu. výhodnejšie sa materiál zohrieva na teplotu v rozsahu teploty mäknutia-4 VICAT. Teplota mäknutia VICAT sa stanovuje podľa DlN ISO 306. Vlákna sa potom primiešajú k takto predbežne spracovanému polymérnemu materiálu. Ak je plastový materiál prítomný v zmäknutom stave, v ktorom materiál ešte nie je roztavený a lupienky sú prítomné ešte po jednotlivých kusoch, povrch už zmäknutý a póry otvorené. Týmto spôsobom má nosný materiálvelmi veľký povrch avlákna možu lahko vniknúť do polymérneho materiálu a miešanie je rovnomernejšie.0034 Ak sa ako nosný materiál použije termoplastický polymér, potom sa spracovanie plastového materiálu výhodne uskutočňuje pri teplote od 70 °C do 240 °C, výhodnejšie od 130 °C do 210 °C, eventuálne vo vákuu s 150 mbar, výhodnejšie s 50 mbar, predovšetkým s 20 mbar,predovšetkým od 0,1 do 2 mbar, a plastové materiály zostávajú v reaktore počas strednej doby zotrvania od 10 minút do 200 minút, predovšetkým od 40 minút do 120 minút.0035 Ako nosný materiál sa môže použiť aj ešte nevytvrdnutý duroplastický polymér,pripadne živica, pričom takéto živice sa použijú predovšetkým vtedy, ak majú byť vlákna obsiahnuté vo veľkých množstvách, predovšetkým vyšších ako 70 hmotn., výhodne od 80 do 90 hmotn. Pri takýchto podieloch vlákien je vťahovanie do extrudéra zvlášť kritické.0036 vlákna a nosný materiál sa do reaktora môžu privádzať postupne v ľubovolnom poradi, v pripade prašných, jemných vlákien môže byť výhodné najskôr priviesť nosný materiál a až potom pridať vlákna. Altematlvne sa môže pridať vlákno a nosný materiál aj súčasne.0037 Tu sa dokonca môže pridat taký východiskový material, v ktorom sú nosný materiál a vlákna už vzájomne tesne spojené, pripadne sú vo forme spoločného východiskového produktu. Tento prípad je aktuálny v pripade drevných vlákien, pretože na drevné vlákna je už priľnutý nosný materiál vo forme lignínu, a eventuálne aj celulózy a/alebo pektinov. K takémuto materiálu sa následne v extrudéri často pridáva syntetický polymér, napríklad PP.0038 Podľa ďalšieho výhodného kroku spôsobu sa materiál v reaktore spracováva v podmienkach vákua, predovšetkým v rozsahu hrubého vákua (približne 300 až 1 mbar) alebo jemného vákua (približne 1 až 10 mbar). Týmto spôsobom sa podporí sušenie ateplotu sa v prípade potreby môže udržiavať nižšia, čím sa spôsob môže uskutočniť za šetrnejšich podmienok.0039 Podľa ďalšieho výhodného uskutočnenia spôsobu sa vlákna a nosný materiál môžu naplniť do reaktora bud súčasne, a až potom zvyšovať teplotu a pohybovať zmesou. Avšak nosný materiál sa môže v reaktore vopred zohriať a napríklad uviesť jeho povrch do zmäknutého a lepkavého stavu. avšak pritom treba dbať na to, aby zostal zachovaný kusový charakter materiálu. Týmto spôsobom sa zamedzí vzniku prachu pri pridavku vlákien, čo je výhodné predovšetkým pri zdraviu škodlivých vláknach. V tom prípade vlákna totiž priľnú okamžite po pridaní na lepkavý povrch materiálu. V tejto súvislosti môže byť tiež výhodné, ak sa prídavok vlákien realizuje v spodnej oblasti pod úrovňou, prípadne pod vytvarovaným lievikom rotácie obiehajúceho materiálu.0040 Ako vlákna sa môžu napriklad použiť anorganické alebo organické vlákna.0041 Dĺžka vlákien poskytuje rozhodujúce mechanické vlastnosti vo finálnom produkte. Pre mechanické vlastnosti finálneho produktu je teda výhodné, ak je dĺžka vlákien väčšia ako 2 mm,výhodnejšie ako 5 mm, a predovšetkým v rozsahu od 10 do 20 mm0042 vlákna sa zvyčajne používajú v množstvách od 10 do 90 °ĺn hmotn., vztiahnuté na celkovú hmotnosť zmesi.0043 Nadávkovanie vlákien do reaktora sa môže uskutočnil volumetricky alebo gravimetricky. Odoberanie zmesi z reaktora k závitovke sa môže uskutočňovať nepravidelne alebo pravidelne následne zaradeným čerpadlem taveniny, prípadne zariadením na meranie stavu naplnenia v reznom zhutňovacom zariadení. Počet otáčok vynášacej závitovky, pripadne extrudéra sa potom mení na základe tlaku pred čerpadlem taveniny alebo stavu naplnenia v reznom zhutňovacom zariadení tak, aby tlak. prípadne stav naplnenia zostal konštantný.0044 Pri spracovaní nedostatočne tečúcich vlákien sa ukázalo ako výhodné gravimetrické dávkovanie v reznom zhutňovacom zariadení, ako aj definované odoberanie zmesi z nej. Najmä vtedy, ak sa použitím týchto vyrába finálny produkt alebo aby sa zhutneným materiálom plnil následne zaradený extrudér.

MPK / Značky

MPK: B27N 3/04, C08J 3/20, B27N 3/28, C08J 5/04, B29C 47/10

Značky: materiálů, dlhými, spôsob, vláknami, výroby, polymérneho, plněného

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/10-e15752-sposob-vyroby-polymerneho-materialu-plneneho-dlhymi-vlaknami.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob výroby polymérneho materiálu plneného dlhými vláknami</a>

Podobne patenty