Способ формирования композитной нити и устройство для осуществления способа

 

Изобретение относится к способу и к устройству изготовления композитной нити, образованной соединением непрерывных филаментных стекловолокон и непрерывных филаментных волокон из термопластичного органического материала. В соответствии с изобретением термопластичные филаменты перемешивают в виде полотна с пучком или полотном филаментных стекловолокон после нагревания до температуры выше температуры их превращения, вытягивают, а затем охлаждают. Устройство содержит по меньшей мере, одну фильеру для стекла со множеством отверстий, соединенную с пропитывающим валиком, и по меньшей мере, одну прядильную головку для термопластичного материала. Прядильная головка соединена, по меньшей мере с одним вытяжным средством барабанного типа, соединенным со средствами нагрева и охлаждения. Устройство содержит также средства для смешивания стекловолокон и термопластичных волокон, трошения и вытяжки композитной нити. Технической задачей изобретения является уничтожение извитости нити. 2 с.п. и 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для изготовления композитной нити путем объединения множества филаментных стекловолокон и филаментных волокон из термопластичного органического вещества. Изготовление такой композитной нити описано в заявке на патент EP-A-0 367 661. В этом документе описываются установки, состоящие из фильеры, через которую вытягиваются филаментные стекловолокна прядильной головки, которая питается под давлением термопластичным органическим материалом и выпускает органические филаментные волокна. При трощении оба типа филаментных волокон могут быть представлены в виде полотен или полотна и нити. Описанный в этом документе способ изготовления, имеющий преимущества, состоит в том, что филаментные стекловолокна или стеклонить обкручивают органическими филаментными волокнами при их соединении. Преимуществом полученной таким образом композитной нити является предохранение филаментных стекловолокон при трении на твердых поверхностях, с которыми композитная нить соприкасается. С другой стороны, это расположение не обеспечивает достаточной однородности смеси двух типов филаментных волокон. Прямой срез композитной нити показывает зоны скопления каждого типа филаментных волокон, этот способ трощения может стать предпочтительным для некоторых областей применения.

Кроме того, эти композитные нити имеют извитость. Эта извитость становится очевидной при использовании нитей в бобине, так как бобина имеет волнистую поверхность по всей окружности. Извитость композитной нити зависит от явления усадки органических филаментных волокон, что ведет к образованию извитости филаментных стекловолокон. Это явление порождает различные неудобства. Во-первых, требуются плотные манжеты для наработки таких бобин, которые выдерживали бы торможение, создаваемое композитной нитью. Кроме того, сматывание бобин становится затруднительным из-за изменения геометрии. Эта форма подачи нити может, в то же время, иметь преимущества, например, если она включена в структуры ткани, которая будет затем использоваться для усиления выгнутых деталей. Гибкость ткани, придаваемая одновременно способностью органических филаментных волокон к деформации и извитостью филаментных стекловолокон, обеспечивает хорошую способность ткани к укладке в форму. С другой стороны, для формирования композитных нитей, предназначенных для производства плоских деталей, усиленных в одном направлении, эта форма подачи нити является неприемлемой. Если филаментные волокна не сориентированы в конечном композитном материале, их усиливающая способность в определенном направлении уменьшается.

Технической задачей изобретения является способ изготовления композитной нити, которая не имела бы извитости при ее формировании и которая сохраняла бы устойчивость во времени.

Эта проблема, возникающая из-за усадки термопластичных филаментных волокон и композитной нити, которая содержит филаментные стекловолокна, решается способом изготовления композитной нити, формируемой вытягиванием непрерывных филаментных стекловолокон, подающихся на фильеры, и непрерывных филаментных волокон из термопластичного органического материала, подающихся из, по крайней мере, одной прядильной головки, соединением термопластичных волокон в виде полотна с пучком или полотном стекловолокон, причем перед соединением термопластичные филаментные волокна нагревают до температуры выше температуры их превращения, вытягивают, затем очень быстро охлаждают. Такая горячая вытяжка позволяет модифицировать структуру термопластичных волокон, которые в этом новом состоянии охлаждаются. После соединения обработанных таким образом термопластичных волокон с филаментными стекловолокнами, термопластичные филаменты совсем не имеют усадки. По предпочтительному способу, согласно изобретению, термопластичные филаменты направляются в форме полотна к филаментным стекловолокнам и смешиваются с ними при одинаковой скорости на образующей валика.

Термопластичным филаментам можно придать большую скорость. Для смешивания филаментных волокон обоих видов, таким образом, предпочтительно вводить термопластичные филаменты в виде полотна в пучок или полотно стекловолокон.

В этом случае, т.е., если термопластичные филаменты вводятся со скоростью выше скорости вытяжки филаментных стекловолокон, извитые термопластичные филаменты перекручиваются внутри линейных филаментных стекловолокон. Таким образом, можно получить более или менее объемную композитную нить, которая может быть использована, в частности, для изготовления ткани.

Благодаря изобретению, стало возможным использовать неплотные манжеты, которые должны были выдерживать деформацию сжатия из-за торможения, вызываемого усадкой, а обычные манжеты, которые можно снять после наработки бобины, которая становится клубком. Это интересно тем, что таким образом становится возможным использовать эти композитные нити по принципу разматывания или раскручивания как изнутри, так и снаружи.

В этом случае возможно многократное использование манжет, что является экономичным.

Другим преимуществом этого способа является то, что он обеспечивает большую однородность композитной нити, чем полученная способами, состоящими в вытяжке стеклонити или полотна филаментных стеклонитей, обкрученных термопластичными филаментами.

Изобретение предлагает также устройство, позволяющее использование этого способа.

В соответствии с изобретением, для обеспечения производства композитной нити, формируемой путем соединения непрерывных филаментных стекловолокон и филаментных волокон из термопластичного органического материала, это устройство содержит по меньшей мере одну фильеру, питающуюся стеклянной массой, нижняя поверхность которой оснащена множеством отверстий, причем эта фильера соединена с пропитывающим валиком и, и по меньшей мере одну прядильную головку, питающуюся под давлением расплавленным термопластичным материалом, нижняя поверхность которой оснащена множеством отверстий, причем эта прядильная головка соединена, по меньшей мере с одним вытяжным средством барабанного типа, соединенным со средствами подогрева и охлаждения и средствами, общими для фильеры и прядильной головки, позволяющими смешивать термопластичные филаментные волокна с филаментными стекловолокнами, и, обеспечивающие трощение и вытяжку композитной нити.

Вытяжное средство барабанного типа предпочтительно включает по меньшей мере три группы барабанов, обеспечивающих увеличение линейной скорости термопластичных филаментных волокон.

Первая группа, состоящая, например, из двух барабанов соответствует области нагревания, вторая группа состоит, например, из двух барабанов, приводимых в движение со скоростью выше скорости предыдущих барабанов. Третья группа, состоящая, например, из двух барабанов, приводимых в движение со скоростью, идентичной скорости последнего барабана второй группы, соответствует области охлаждения.

Размеры средств подогрева, их количество и расположение таковы, что термопластичные филаменты находятся в соприкосновении с ними в течение промежутка времени, достаточного для изменения их структуры. С другой стороны, повышение температуры должно быть равномерным и одинаковым для всех филаментных волокон, их структура была идентична после прохода вытяжного прибора.

В соответствии с предпочтительным способом изобретения, средства нагрева являются электрическими и расположены по меньшей мере в первом барабане вытяжного средства, через который проходят термопластичные филаменты. Таким образом, нагревание термопластичных филаментых волокон осуществляется путем соприкосновения с по меньшей мере одним нагревательным барабаном. Тогда оно становится быстрым и равномерным.

Можно также разместить другие средства нагрева, выполненные в виде источника инфракрасного излучения, и расположенные на траектории движения термопластичных волокон по меньшей мере на уровне первого барабана вытяжного прибора.

Средства охлаждения должны также срабатывать очень быстро, чтобы термопластичные филаменты затвердевали в своей новой структуре.

Из размеры, количество и расположение выбраны таким образом, чтобы термопластичные филаменты находились в соприкосновении с ними в течение промежутка времени, достаточно длительного, чтобы их структура затвердевала.

Средства охлаждения термопластичных филаментных волокон выполнены с возможностью циркуляции холодного потока по меньшей мере в последнем барабане вытяжного средства.

Средство, обеспечивающее смешивание филаментных волокон обоих типов, может содержать направляющий и нажимной валики. Первый "направляющий" валик, при необходимости приводной, направляет полотно термопластичных волокон по второму валику. На этом втором валике термопластичные филаменты смешиваются с филаментными стекловолокнами тоже в виде полотна. Преимуществом этого устройства является то, что оно обеспечивает перемешивание филаментных волокон, причем они подаются с одинаковыми скоростями. Полученная смесь содержит только линейные филаменты.

Одним из интересных вариантов может стать получение композитных, нитей, где филаментные стекловолокна линейны, а термопластичные филаменты имеют извитость. Таким образом, можно получить более или менее объемную нить, которую можно использовать, например, в ткачестве. Для этого способа производства можно применить устройство, в котором используются свойства потоков, которыми могут быть жидкости или газы, такие как пульсирующий или сжатый воздух. Речь может идти, например, об устройстве Вентури, которое позволяет вводить термопластичные филаменты в полотно или пучок филаментных стекловолокон, даже если термопластичные филаменты имеют скорость выше скорости филаментных стекловолокон. Для того чтобы добиться большей скорости термопластичных филаментных волокон, барабанный вытяжной прибор должен сообщать термопластичным филаментным волокнам вытяжки филаментных стекловолокон.

Описанные устройства позволяют производить композитные нити из филаментных стекловолокон и термопластичных филаментных волокон, которые в дальнейшем не деформировались бы, т.е. совсем не происходило бы усадки термопластичных филаментных волокон.

Преимуществом подобных устройств является также то, что они могут быть выполнены на одном уровне в отличие от некоторых других установом предшествующего уровня техники. Для этого можно использовать отклоняющую деталь, например валик, между прядильной головкой для органического материала и барабанным вытяжным средством.

Другие детали и признаки изобретения, имеющие преимущества, вытекают из приведенных ниже примеров, описывающих устройства со ссылками на чертежи, на которых: на фиг. 1 изображено схематическое изображение установки, согласно изобретению; на фиг. 2 - схематическое изображение второго варианта выполнения изобретения; на фиг. 3 a, b, c - схематическое изображение прямых срезов композитных нитей, полученных в соответствии со способами согласно изобретению и способами предшествующего уровня техники.

На фиг.1 представлено схематическое изображение полной установки согласно изобретению. Фильера 1 питается стеклянной массой либо от выступа печи, который подает стекло в расплаве непосредственно в ее верхнюю точку, либо от бункера, содержащего холодное стекло, например, в виде шариков, которые падают под действием силы тяжести. В зависимости от одного или другого способа питания фильера 1 обычно выполняется из сплава платины и родия и нагревается с помощью эффекта Джоуля для расплавления стекла или поддержания высокой температуры. Расплавленное стекло вытекает в виде множества струек, вытянутых в виде пучка 2 филаментных волокон, с помощью устройства, не показанного на чертеже, который позволяет нарабатывать бобину 3. Затем эти филаменты 2 переходят на пропитывающее средство 4, которое наносит аппрет или замасливатель на филаментные стекловолокна. Этот замасливатель может содержать соединения или их производные, входящие в состав термопластичных филаментных волокон 5, которые затем соединяются с филаментными стекловолокнами для образования композитной нити 6.

На фиг. 1 также схематически представлена прядильная головка 7, из которой выдавливаются термопластичные филаменты 5. Прядильная головка 7 может питаться термопластичным материалом, например, типа полипропилена, в виде, например, гранул, который расплавляется и вытекает под давлением по многочисленным отверстиям, расположенным под прядильной головкой 7, для формирования филаментных волокон 5 путем вытяжки и охлаждения. Охлаждение филаментных волокон осуществляется вынужденной конвекцией с помощью устройства для кондиционирования 8, имеющего форму, соответствующую форме прядильной головки 7, и генерирующего ламинарный поток воздуха, перпендикулярный филаментным волокнам. Расход, температуру и гидрометрические характеристики воздуха для охлаждения поддерживают постоянными. Затем филаментные волокна 5 переходят на валик 9, который обеспечивает, с одной стороны, их соединение в виде полотна 10, а с другой стороны, - отклонение траектории их движения. Таким образом, можно использовать фильеру 1 и прядильную головку 7 на одном уровне и, таким образом возможность производить композитные нити на участках, где до этого получали только стеклонити, не прибегая к крупным модификациям, если это не установка для прядения термопластичного материала. На самом деле, предложенные для производства композитных нитей устройства, как правило, требуют подвода нити или полотна филаментных стекловолокон выше фильеры для термопластичного материала и, таким образом, установки фильеры для стекловолокна на более высоком уровне. Это, как правило, ведет к полному изменению структуры.

После прохождения по валику 9 полотно 10 термопластичных филаментных волокон переходит на барабанное вытяжное средство 11, образованное, например, шестью барабанами 12, 13, 14, 15. 16, 17. Эти барабаны 12, 13, 14, 15, 16, 17 имеют разные скорости вращения и, таким образом, создают ускорение в направлении движения термопластичных филаментных волокон. Эти барабаны соединены также с устройством для нагрева и охлаждения, которые не показаны на чертеже. В указанном случае барабаны могут, например, функционировать попарно. Тогда барабаны 12, 13 соединяются с устройством для нагрева. Это устройство является, например, электрической системой, которая обеспечивает равномерное и быстрое повышение температуры термопластичных филаментных волокон, так как нагрев осуществляется путем соприкосновения. Барабаны 12, 13 приводятся в движение с одинаковыми скоростями, что обеспечивает вытяжку термопластичных филаментных волокон, выходящих из прядильной головки 7.

Вторая пара барабанов 14, 15 приводится в движение со скоростью выше скорости первой пары. Термопластичные филаменты, нагретые при прохождении по первой паре барабанов, до температуры, определяемой природой термопластичного материала, подвергаются ускорению, возникающему из-за разница скоростей двух пар барабанов. Это ускорение вызывает удлинение термопластичных филаментных волокон, что изменяет их структуру.

Последняя пара барабанов 16, 17 приводится в движение со скоростью, идентичной скорости предыдущей пары, и включает устройство для охлаждения, например, типа "ватер-жакет" (водная оболочка), которое позволяет филаментам затвердевать в их новом состоянии.

Нагрев и охлаждение термопластичных филаментных волокон должны осуществляться быстро и равномерно. Как это мы уже видели ранее, выбор средств этому способствует. С другой стороны, изобретение состоит в обработке филаментных волокон, а не нитей, как это обычно делалось. Нагрев и охлаждение филаментных волокон может осуществляться быстрее и равномернее, чем если речь шла об обработке нити, из-за большой поверхности теплообмена на объем материала.

Вытяжное средство 11 может состоять из большого числа барабанов, но с сохранением вышеописанных трех зон: нагрева, вытяжки, охлаждения. С другой стороны, каждая из этих зон может состоять из единственного барабана. Можно также, чтобы эти три зоны повторялись несколько раз, т.е. после того как термопластичные филаментные волокна подвергнуться вышеописанной обработке, они могут, быть снова обработаны один или несколько раз в несколько последовательных переходов в зонах того же типа, повторяя каждый раз процесс: нагрев, вытяжка, охлаждение.

Для облегчения этапов нагрева и охлаждения можно ввести стационарные нагревающие или охлаждающие устройства между валиками вытяжного средства, по которым будут проходить термопластичные филаменты. Также можно увеличить время контакта, обеспечивающего теплообмен, либо для этапа нагрева, либо для этапа охлаждения.

Затем полотно 10 термопластичных филаментных волокон переходит на "направляющий" валик 18, при необходимости, приводной и на "нажимной" валик 19. Термопластичные филаменты смешиваются с филаментными стекловолокнами таким образом, что соединение обоих полотен осуществляется на образующей "нажимного" валика 19. Это смешивающее устройство позволяет точно определить геометрию полотна термопластичных филаментных волокон и, таким образом, обеспечить высокооднородную смесь.

Затем термопластичные филаментные волокна и стекловолокна вместе переходят на устройство 20, которое обеспечивает трощение этих филаментов для формирования композитной нити 6. Эта композитная нить 6 сразу же сматывается в бобину 3 с помощью устройства, не представленного на чертеже, которое обеспечивает вытяжку филаментных стекловолокон при заданной линейной скорости, которая поддерживается постоянной для обеспечения требуемой линейной массы.

Линейная скорость, которая обеспечивает вытяжку филаментных стекловолокон, должна быть идентична скорости, которую барабаны 14, 15 сообщают полотну термопластичных филаментных волокон. Таким образом, все филаментные волокна имеют при смешивании одинаковую скорость, а композитная нить при формировании совсем не имеет извитости.

Можно изготавливать композитную нить с высокой емкостью наполнения, т.е. которая бы включала линейные филаментные и извитые термопластичные филаменты. Этот тип композитной нити представляет, в частности, интерес для производства некоторых видов ткани, так как придает ткани плотность.

Для производства такой композитной нити предпочтительно внести изменения в устройство, показанное на фиг.1, в частности, в систему, обеспечивающую смешивание термопластичных филаментных волокон с филаментными стекловолокнами.

Это второе устройство показано на фиг.2, где представлено только устройство для смешивания двух типов филаментных волокон. Остальная часть устройства идентична устройству по фиг.1. Основным отличием, не показанным на чертеже, является то, что скорость, сообщаемая полотну филаментных термопластичных волокон вытяжным средством 11, в частности барабанами 14, 15, не равна скорости вытяжки филаментных стекловолокон. Чтобы добиться извитости термопластичных филаментных волокон в композитной нити, их скорость должна быть выше скорости вытяжки филаментных стекловолокон при смешивании.

На фиг. 2 показано полотно 10 термопластичных филаментных волокон после прохода вытяжного средства 11, не показанного на чертеже: полотно 10, которое уже подвергалось обработке на вытяжном средстве и имеет желаемую скорость, проходит по отклоняющему валику 21, затем - через систему Вентури 22. Это устройство обеспечивает "вбрасывание" полотна 10 термопластичных филаментных волокон в полотно 23 филаментных стекловолокон, удерживая термопластичные филаменты отдельно друг от друга. С другой стороны, устройство Вентури не придает дополнительной скорости полотну 10 так, чтобы минимум сжатого воздуха попадал на филаментные волокна. Таким образом, риск повреждения стекловолокон из-за избытка сжатого воздуха для вбрасывания термопластичных филаментных волокон максимально сокращается.

В это устройство можно ввести элемент 27. Речь идет об усиленной пластине, размеры которой позволяют прохождению полотна филаментных стекловолокон. Этот элемент 27 позволяет, в частности, сохранить геометрию термопластичных филаментных волокон в виде полотна 10 после их "вбрасывания" и избежать расхождения термопластичных филаментных волокон.

Этот элемент 27 изготавливают, предпочтительно, из композитного материала, состоящего из тканного текстиля и фенольной смолы типа бакелита, облегчающего скольжение филаментных волокон.

На фиг. 2 термопластичные филаментные волокна "вбрасываются" в полотно филаментных стекловолокон после его прохода по замасливающему валику 4. Можно также "вбрасывать" термопластичные филаментные волокна в пучок 2 филаментных стекловолокон, т.е. перед их прохождением по валику 3 замасливателя. В последнем случае добиваются большой однородности смеси филаментных волокон.

При "вбрасывании" термопластичных филаментных волокон в полотно или пучок филаментных стекловолокон оба типа волокон смешиваются, образуя композитную нить, на устройство 20, идентичном показанному на фиг.1.

Эти технологии ведут к наработке бобин из композитных нитей, которые в отличие от ранее получаемых бобин совсем не имеют извитости из-за филаментных стекловолокон и легко разматываются. Возможно также, так как бобины больше не деформируются, снимать манжету, которую можно использовать повторно, и разматывать бобины изнутри. С другой стороны, филаментные стекловолокна сохраняют линейность и могут играть роль однонаправленной "детали жесткости", если необходимо для изделий, произведенных из композитных нитей.

На фиг.3 a, b, c, схематически показаны прямые срезы композитных нитей, полученных разными способами. На фиг. 3а изображен срез композитной нити, полученной в соответствии с изображением. Наблюдается равномерное распределение термопластичных филаментных волокон 25 и филаментных стекловолокон 26. Высокая однородность композитной нити ведет к лучшему сцеплению композитной нити. На фиг. 3b и 3c изображены прямые срезы композитных нитей, полученные другими способами, например, используя кольцевую термопластичную фильеру, либо соединением нити с полотном (фиг.4 b), либо соединением полотна с полотном (фиг.4c). В обоих случаях распределение филаментных волокон менее однородно, а сердцевина нити является зоной скопления филаментных стекловолокон 26', 26'', тогда термопластичные филаменты 25', 25'' находятся на периферии. Нужно отметить, что соединение полотна с полотном приводит к более высокой однородности.

В описанные устройства можно внести некоторые изменения. Во-первых, замасливающее устройство может включать фотоинициатор, способный инициировать химическое превращение процесса замасливания под действием актинических лучей. Такое замасливание позволяет еще больше повысить сцепляемость композитной нити. Для его использования достаточно установить на траектории движения композитной нити источник излучения, например, ультрафиолетовых лучей, между устройством трощения и устройством для нарабатывания бобин. Можно также использовать термический инициатор, который вводится в действие путем термообработки.

Также можно применить изобретение для изготовления комплексных композитных нитей, т.е. композитных нитей, содержащих различные термопластичные органические материалы. Для этого можно вводить филаменты различной природы, полученные, например, от нескольких прядильных головок и предварительно соединенные перед введением в филаментные стекловолокна.

Формула изобретения

1. Способ изготовления композитной нити путем формирования вытягиванием непрерывных филаментных стекловолокон, подающихся из фильеры, и непрерывных филаментных волокон из термопластичного органического материала, подающихся из по меньшей мере одной прядильной головки, соединения термопластичных волокон в виде полотна с пучком или полотном стекловолокон, отличающийся тем, что перед соединением термопластичные филаментные волокна нагревают до температуры выше температуры их превращения, вытягивают, а затем охлаждают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термопластичные филаментные волокна и филаментные стекловолокна смешивают с одинаковой скоростью на образующей валика.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что волокна из термопластичного материала вводят в виде полотна в пучок или полотно стекловолокон, при этом скорость движения волокон из термопластичного материала выше скорости движения стекловолокон.

4. Устройство для изготовления композитной нити, образованной соединением непрерывных филаментных стекловолокон и непрерывных филаментных волокон из термопластичного органического материала, содержащее по меньшей мере одну фильеру, питающуюся стеклом, нижняя поверхность которой оснащена множеством отверстий, и соединенную с пропитывающим средством, и по меньшей мере одну прядильную головку, питающуюся расплавленным термопластичным материалом, нижняя поверхность которой оснащена множеством отверстий, и средства, общие для фильеры и прядильной головки, обеспечивающие смешивание стекловолокон и термопластичных волокон, трошение и вытяжку композитной нити, отличающееся тем, что прядильная головка соединена по меньшей мере с одним вытяжным средством барабанного типа, соединенным со средствами нагрева и охлаждения.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что вытяжное средство имеет по меньшей мере три группы барабанов, обеспечивающих увеличение скорости термопластичных филаментных волокон.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что средства нагрева являются электрическими и расположены по меньшей мере в первом барабане вытяжного средства.

7. Устройство по любому из пп.4 - 6, отличающееся тем, что средства нагрева выполнены в виде источника инфракрасного излучения и расположены на траектории движения термопластичных филаментных волокон по меньшей мере на уровне первого барабана.

8. Устройство по любому из пп.4 - 7, отличающееся тем, что средства охлаждения выполнены с возможностью циркуляции холодного потока по меньшей мере в последнем барабане вытяжного средства.

9. Устройство по любому из пп.4 - 8, отличающееся тем, что средство, обеспечивающее смешивание термопластичных филаментных волокон с филаментными стекловолокнами, содержит направляющий валик и нажимной валик.

10. Устройство по любому из пп.4 - 9, отличающееся тем, что средство, обеспечивающее смешивание термопластичных филаментных волокон с филаментными стекловолокнами, является устройством "Вентури".

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3