Способ изготовления композиционного материала Советский патент 1993 года по МПК D04H1/46 

Изобретение относится к изготовлению высокопрочных композитных структур с использованием слоев первоначально пряденных материалов.

Изобретение относится к способу изготовления композитной структуры из пряденых слоев, включающему этапы финишного нанесения замасливающего материала на поверхность пряденой ткани из нитей синтетического полимера, прошивания ткани из покрытых замасливателем нитей с помощью гладких игл для ее разрыхления и разрыва большинства связей между нитями и затем наложение одной или более прошитой ткани из покрытых нитей в стопу и прошивание стопы зазуб- ренными иглами для спутывания нитей пряденных тканей и получения композитной структуры.

На чертеже представлено устройство реализующее предлагаемый способ.

Пряденные ткани подаются с бобин, установленных на стенде на секции 1 на иглоп- рошивающее устройство в Секции 2, откуда прошитые ткани поступают на намоточный станок в секции 3. Штапельные волокна или другой дополнительный материал по выбору может быть добавлен с кардной системы, изображенной на рисунке в секции 4.

Рулоны ткани АВ из пряденого материала устанавливаются на стенд в секции 1. Пряденые ткани могут быть выполнены из любых хорошо известных пряденых материалов, включая те, которые приводятся ниже в качестве примеров. Разумеется, возможен случай, когда используются более чем две ткани равно как случай, когда используется только одна ткань для реализации настоящего изобретения.

Прошивающее устройство в секции 2 может быть снабжено подающим роликом 5, образующим зазор с подающим ремнем 6,

(Л

С

00

со о ел

00

несомым роликами 7 и 8. Тканевые матери- алы 9 втягиваются на участок секции 2 с помощью зазора между роликом 5 и ремнем 6 и аыводятся из секции 2 роликовой парой 10, имеющей зазор между роликами. Во время прохождения секции 2 тканевые материалы 9 подвергаются разрыхлению с помощью гладких игл 11 и спутыванию с помощью зазубренных игл 12. Пряденный материал 9 полностью подвергнутый спуты- ванию в соответствии с настоящим изобретением проходит мимо опорного ролика 13 и наматывается в виде бобины готового продукта 14 с помощью намоточных роликов 15 и 16 на участке намотки секции 3.

В случае, если это желательно или необходимо для некоторой конкретной цели, штапельные волокна или другие дополнительные материалы могут быть добавлены к пряденым тканям с подготовительных к до- полнительных устройств в секции 4, таких например как г.ардинговое устройство. Если необходимо добавить штапель, то штапель 17 подвергают кардированию и укладывают на ленту транспортерной системы 18, по которой он перемещается до момента сбрасывания на пряденую ткань, подаваемую с бобины А. Штапель 17 после этого перемещается на ткани от бобины А через участок разрыхления нитей с помощью гладких игл и участок спутывания нитей с помощью зазубренных игл, -после чего штапель или другие материалы-добавки становятся интегральными элементами результирующего композита независимо от того одна, две или более пряденных тканей были использованы.

При производстве тяжелых пряденных листов, имеющих плотность порядка 200 г/м. или более, часто возникает необходимость объединить по крайней мере два листа, имеющих меньшую плотность. Часто необходимо изготовить композитные листы, имеющие внешние слои из пряденных материалов, которые заключают внутри другие материалы.

Отдельные слои случайно сплавленных пряденых листов часто соединяют с помощью процесса, называемого иглопроши- ванием, в котором иглы, имеющие маленькие зазубрины, проталкиваются через слои, подлежащие соединению. При движении прошивающих игл зазубрины увлекают отдельные нити и таким образом создают соединения и спутывания нитей между образующими слои листами.

До момента создания настоящего изобретения пряденые листы, подлежащие обработке для создания значительной связи между волокнами, не могли быть подвергнуты иглопрошиванию для создания прочной связи между ними без одновременного разрушения такого количества нитей, что сами листы оказывались существенно ослабленными. С помощью предлагаемого изобретения слои из пряденных листов, частично или полностью соединенные, могут быть объединены в композитные структуры с сильной связью между слоями и без разрушения нитей. Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность использования законченного пряденого листового.продукта при изготовлении композита без необходимости в каком-либо специально изготовленном листе-подложке, причем композит после прошивания имеет высокую прочность и слабо выраже-ную тенденцию к ламинированию.

При реализации изобретения может использоваться любой термически нетканый листовой материал. Примерами таких мате-- риалов являются: пряденый полипропилен от 10 до 20 денье на нить, который продается на рынке под торговой маркой ТИПАР фирмой Дюпонт де Немюр С.А.Женева, Швейцария, полиэфир около 12 денье на нить, такой как продается на рынке под торговой маркой ЛАТРАДУР фирмой Лат- равиль Спиннулис ГМБХ, Германия, пряденая нить из полиэфира в оболочке из нейлона около 10 денье на нить, продаваемая под торговой маркой КОЛБЭК фирмой АКВО, Нидерланды, пряденый полипропилен, продаваемый под торговой маркой КЕКТОН фирмой Римей Инкорпорейтед, США и пряденый полипропилен и полиэтилен, продаваемый под торговой маркой ТЕРРАМ фирмой Эксон Пондипул, Великобритания. Предпочтительным материалом, на обработку которого направлено настоящее изобретение, является известный пряденый полипропилен.

Могут быть использованы комбинации таких термосвязанных нетканых материалов, причем термические связи могут быть образованы в большей или меньшей степени:

Пряденные листы выполняются путем прядения из расплава непрерывных нитей на движущуюся ленту подложку для получения заданной ориентации как в направлении работы машины, так и в поперечном относительно этого направления. Связывание осуществляется путем приложения давления и подачи тепла. Для понимания предлагаемого изобретения важно знать, что ткани, которые предполагается использовать для получения композитной структуры, являются прядеными и что нити в ткани по одиночке связаны с другими нитями. Ранее удалось установить, что такие пряденые ткани, которые были подвергнуты соединению с помощью известного процесса прошивания, дают достаточно жесткое физическое ощущение и обладают малой прочностью. Когда обычные пряденые ткани, имеющие соединения между нитями, соединяют с помощью прошивания зазу- бррными иглами, нити оказываются разрушенными и, кроме того, образуется весьма малое перемешивание в областях поверхностей помимо того спутывания, которое вызывается воздействием зазубренными иглами,

В соответствии с предлагаемым изобретением обработка тканей до прошивания зазубренными иглами позволяет получить композитные структуры, обладающие достаточной мягкостью и имеющие прочные связи между слоями и высокие свойства на разрыв, которые практически не уменьшаются в процессе ламинирования.

Пряденые ткани, которые могут быть использованы длл реализации предлагаемого изобретения, могут быть выполнены из любого из вышеупомянутых материалов, а также комбинации этих материалов, и они могут иметь любую плотность, начиная от 20 r/м2 и до 200 г/м2.

Специальной областью реализации настоящего изобретения является получение и использование пряденых листов пониженного качества, например таких листов, которые не прошли отбора на наивысшее качество, но которые однако могут быть использованы для целей получения композитов, хотя на листах имеются поверхностные нити, между которыми образовались связи.

Штапельные волокна, в случае, если они вообще используются, могут быть из полиэфира, полиолефина, полиамида или другого синтетического волокнистого материала, натурального волокнистого материала или представлять собой комбинацию из синтетических и натуральных волокон. Предпочтительно, чтобы штапельные волокна были изогнутыми, хотя это не является обязательным условием для реализации настоящего изобретения.

Вместо штапельных волокон может быть использована грубая сетка. Использование грубой сетки в качестве добавочного материала значительно улучшает свойства прочности получаемого изделия. Один из конечных продуктов, полученный с применением грубой сетки, был выполнен в виде комбинации полиэтилентерефталатной пряжи, имевшей направление, совпадающее с направлением движения машины, а также поперечное направление, навитой на кресты, со скрученной полиэтилентерефталатной пряжей, Такой сетчатый продукт продается на рынке под торговой маркой НОТЕКС, фирма Нотекс, Франция. Как 5 .указывалось выше; пряденая ткань прошивается гладкими иглами перед этапом прошивания иглами, имеющими зазубрины. Обработка иглами приводит к тому, что большинство связей между нитями оказы10 вается разрушенными, и таким образом, ткань может двигаться свободно и приходить в более тесный контакт с соседним материалом.

Для того, чтобы избежать излишнего

15 разрушения волокон во время предварительной обработки иглами пряденая ткань получает финишную обработку зэмаслива- телем, Финишная обработка замасливате- лем, как правило, осуществляется с

0 помощью кремнийсодержащего масла. однако может выполняться любым из следующих соединений: полисилоксаном,аксидом полипропилена, полиоксиэтилен лауритом, полиалкилен гликолем, гликоль эфиром или

5 подобными соединениями, а также комбинациями любых из этих соединений, Предпочтительно для реализации настоящего изобретения использовать сополимеры ди- метилполисилоксана и оксида полипропи0 лена.

Финишный замасливатель может быть нанесен на пряденую ткань любым способом, Финишный замасливатель обычно наносят через контакт ткани с роликом,

5 который оставляет необходимое количество раствора или дисперсии финишного материала, однако удовлетворительными окажутся и любые другие способы.

Растворы или дисперсии финишного

0 материала как правило являются водными, хотя могут использоваться и другие жидкие растворы или носители. Концентрация финишного материала в жидкости обычно составляет от 0,5 до 3,0 мас.-%.

5 Критически важными для реализации предлагаемого изобретения являются размер и форма гладких игл. Иглы, которые использовались с, особым успехом, имели длину около 7,5 сантиметров и заострен0 ность от вершины до основания около 16 градусов, причем диаметр основания составлял 2,8 миллиметра, а вершина имела шаровую форму. Гладкие иглы вообще целесообразно устанавливать в пластины, имею5 .щие от тысячи до 7500.ИГЛ на линейный метр, причем пряденые ткани обрабатываются иглами с концентрацией 50-КЗОО проколов/см2. Обработка иглами может быть выполнена либо только с одной стороны либо в случае необходимости с двух сторон.

В отдельных случаях удавалось установить, что преимущественные результаты дает более чем одна обработка тканей иглами, причем первый раз используются очень тонкие иглы, а при следующих обработках ис- 5 пользуемые иглы должны иметь большую толщину. Целью обработки гладкими иглами является нарушение связей между нитями без нарушения целостности самих нитей.10

Разрыхление тканей с помощью гладких игл, как было установлено, имеет преимущество перед другими способами освобождения нитей, такими как растягивание тканей или пропускание тканей через 15 локальные растягивающие устройства, известные под названием Бзтгон Брейкерз (разбиватели пуговиц). Гладкие иглы могут быть установлены в той же машине, в кото- , рой устанавливэютсязазубренные иглы и20 разрыхление ткани может выполняться непосредственно перед прошиванием зазубренными иглами, что исключает все трудности, связанные с обработкой разрыхленной ткани перед стадией прошивания 25 зазубренными иглами.

Прошиваемые ткани могут быть сложены в стопу. Прошиваемые ткани, сложенные в стопу, могут проходить процесс обработки совместно с другими материалами, пряде- 30 ными или непрядеными.

Прошитые ткани могут быть расположены таким образом, что все они подаются в одном направлении, т.е. все в направлении работы машины или все в поперечном отно- 35 сительно этого направлении, или они могут быть расположены в различных направлениях. Прошитые ткани могут быть из различ- ных материалов и иметь различные плотности, причем можно использовать од- 40 повременно столько тканей, сколько желательно или необходимо для любого последующего применения . Прошитые ткани могут охватывать наполнитель или какие- либо наполнительные волокна, проводящие 45 волокна или волокна или другие материалы, покрытые или несущие добавку, например удерживаемый или медленно освобождаемый химический агент.

; Прошитые гладкими иглами ткани, 50 набранные в стопу, прошиваются иглами, имеющими зазубрины, для механического переплетения нитей одной из тканей с нитями других тканей. Для того, чтобы осуществить симметричное переплетение, 55 прошивание зазубренными иглами должно быть осуществлено с обоих сторон композитной структуры.

Для выполнения операции прошивания зазубренными иглами может использовать-

ся широкий набор игл, Для обычного применения могут использоваться выпускаемые на рынок пластины с иглами. Зазубренные иглы как праоило имеют 7.5-И 0 см в длину и 0.4 -7-2.3 мм в диаметре, причем расстояние между зазубринами может составлять 1,3т-6,3 мм, а плотность игл на пластине составляет от 1000 до 7500 игл на линейный метр, Вполне удовлетворительными являются иглы, имеющие товарную спецификацию 15-18-36-23. РВ 30 А06/10, производимые фирмой Зингер Фабрик ГМБХ, Германия.

Стопы ткани как праоило прошиваются с концентрацией проколов/см2. Конкретное число проколов, необходимое в конкретном случае будет изменяться в зависимости от вида и толщины стопы, подлежащей обработке.

Хотя предшествующие стадии процесса описывались самостоятельно, оказывается более эффективным и предпочтительным выполнять все стадии процесса за один проход и на одной единице оборудования или на самостоятельных единицах оборудования, расположенных вблизи одна от другой.

Ниже приводится описание испытаний, которые целесообразно производить для получения характеристик изготавливаемых продуктов по настоящему изобретению.

Плотность ткани измеряется в соответствии с А ТМД3776-79, однако используя образцы, имеющие 21 сантиметр в ширину и 30 сантиметров в длину, охарактеризованные в значениях граммов на квадратный метр.

Толщина измеряется в соответствии с AS ТМД1777, при давлении 0,05 бара.

Напряжение расслоения листа (нагрузка и удлинение) измеряется в соответствии с AS ТМД1.682 (нагрузка на разрыв и удлинение), однако производится при двух различных значениях ширины образцов и разделении захватов в соответствии с нижеследующими таблицами. Например, 5-20 - это образец, имеющий ширину 5 сантиметров при разделении захватов в 20 сантиметров, а 20-10 - это образец, имеющий ширину 20 сантиметров при разделении захватов в 10 сантиметров. Испытание выполняется в продольном направлении, или направлении машины (МД) и в поперечном направлении (ХД).

Трапецеидальный разрыв измеряют в соответствии с AS ТМД2263. Испытание выполняется в продольном направлении и в поперечном направлении.

Отношение калифорнийской устойчивости измеряют в соответствии с немецкими

индустриальными нормалями (Д1М) 54307. Образец, соответствующий Д1М А4, зажимают между двумя захватами с круглым отверстием, оставляя свободный участок образца диаметром в 15 см. Далее поршень, имеющий диаметр 5 см, со скругленными краями (скругление радиусом 2 мм) проталкивается через свободную часть образца в ее центре со скоростью 10 см/мин. Максимальная нагрузка, выраженная в Ньютонах необходимая для поршня, фиксируется и служит требуемым значением.

Прохождение конусом измеряется в соответствии со следующей технологией. Используется тот же размер образца и та же система захвата, что и в вышеописанном примере, однако в данном случае конус массой в один килограмм, имеющий угол сходимости 45 градусов и вершину, скругленную радиусом 2 миллиметра, бросается с высоты 50 сантиметров в центр свободной части образца, имеющего диаметр 15 сантиметров. Диаметр отверстия, вызванного ударом, измеряется .с использованием калиброванного конуса и приводится выраженным в миллиметрах.

Воздухопроницамость измеряют в соответствии с методикой А5ТМД737однакос круглым отверстием площадью 10 квадратных сантиметров и при давлении 10 миллиметров водяного столба.

Напряжение на захват листа (SGT) изме- ряется в соответствии с методикой AS ТМ1682 и выполняется в продольном направлении и в поперечном направлении.

Испытание VTT РАТМЕЙЕР. Для этого испытания также используется образец соответствующего размера и зажимная система, описанные выше для испытания СВР, однако образец имеет в центре вырез диаметром 10 миллиметров. Испытание начинают с проникающим поршнем в форме цилиндра; имеющим 5 сантиметров в длину и 11 миллиметров в диаметре, а затем переходит к диаметру 45 миллиметров, причем этот переход осуществляется под углом 45 градусов к образующей цилиндра. При проведении этого испытания поршень проталкивают через отверстие в образце со ско- ростью 10,8 мм/мин регистрируют следующие параметры: максимально зафиксированную нагрузку в Ньютонах; деформацию образца при проникновении, начиная с начала увеличения диаметра и до максимальной нагрузки; сопротивление трения, когда малый цилиндр проникает через предварительно вырезанное отверстие; усилие при проникновении поршня на 20 миллиметров далее точки начала расширения диаметра.

П р.и м е р 1. Эффект предварительного разрыхления нитей при обработке гладкими иглами. Пряденая ткань, использованная для этого испытания, была изготовлена из 5 полипропилена 10-5-2-0 денье, который поставляется фирмой Дюпон Де немур СА под торговой маркой ТИПАР типа 3607, и обладала исключительно низкой степенью связей (это означает, что нити очень легко

0 освобождались с обоих сторон). Низкая степень связи в листе пряденого материала обеспечивается при применении пониженной температуры и давления. Плотность составляла 190 г/м и два листа были

5 соединены друг с другом посредством прошивания зазубренными иглами. Пряденые ткани были обработаны замасливателем, представляющим собой однопроцентный раствор алкилполигликольного эфира, ис0 пользуемой в промышленности и полученной в частности от фирмы Хенкель и Компани под торговой маркой СЕЛБАНА 42-36.

Разрыхление выполнялось с использо5 ванием гладких игл диаметром 0,55 мм с плотностью проколов 300 на 1 см2, а обработка зазубренными иглами была выполнена иглами типа 15-18-36-3RB30A06/10 фирмы Зингер с плотностью 270 проко0 лов/см при проникновении игл на 13 миллиметров.

Результаты испытаний приведены в табл,1. Композит, изготовленный из листов, которые были подвергнуты разрыхлению в

5 соответствии с-технологией по настоящему изобретению, сравнивается с композитом, изготовленным из листов не подвергнутых разрыхлению.

Следует обратить внимание на то, что

0 композит, выполненный из листов разрыхленного материала по предлагаемому изобретению, обладает значительным увеличением прочности.

Пример 2. Эффект финишной обра5 ботки. В качестве подложки использовались те же материалы, что и в примере 1, причем в каждом случае использовалось по два слоя. Все подложечные слои были.подвергнуты предварительному разрыхлению по

0 методике, изложенной в примере 1, и также по методике первого примера были подвер-. гнуты прошиванию.

Финишный раствор А представлял собой однопроцентный раствор сополимера

5 демитал полисилаксана и. аксида полипропилена, который предлагается на рынке фирмой Доу Корнинг Корпорейшн под торговым наименованием жидкость Р- 1248 Финишная жидкость В была такой же, что и вышеописанная в примере 1.

Результаты испытаний приведены в тйбл.2.

Можно видеть, что применение финишной обработки обеспечивает значительное увеличение результатов нагрузочных и прочностных испытаний.

Пример 3. Эффект добавки слоя штапельной пряжи в 50 г/м2. Использовалась та же подложка, что и в примере 1, подвергнутая той же финишной обработке. Использовались два слоя. Дополнительный слой штапеля был изготовлен из коммерческой полиэфирной штапельной пряжи средней плотности, длиной 5-6 см.

Подложечные слои были разрыхлены и прошиты по технологии в соответствии с примером 1, причем штапель был добавлен поверху двух подложечных слоев.

Внешний вид полученного изделия был очень хорош, а сопротивляемость к расслоению была очень высока, на что указывает тот факт, что слои не удавалось разделить таким образом, чтобы получить исходные структуры. Результаты испытаний приведены в табл.3.

Добавка штапельного слоя значительно увеличивает значение результатов нагрузочных и прочностных испытаний.

Пример 4. Эффект значения диаметра гладких игл. В качестве подложки использовался стандартный лист пряденого полипропилена, имеющий плотность 136 г/м коммерчески продаваемый на рынке фирмой Дю ПоитДе Немур Интернешенл ЈА, под товарным названием ТИПАР СТАЙЛ 34-07. Подложка была обрэботана замас- ливателем финишным раствором А, описанным в примере 2, после чего два слоя были сшиты друг с другом. Предварительное разрыхление выполнялось иглами, диаметр которых приведен ниже, с плотностью 200 проколов/см . Сшивание иглами было осуществлено так, как это описано в примере 1, но при проникновении игл на глубину 14-15 мм (14 мм сверху и 15 мм снизу). Результаты испытаний приведены в табл.4.

Гладкие иглы большего диаметра обеспечивают более полное разрыхление волокон подложки, что приводит к большим значениям нагрузочных и прочностных испытаний сшитого продукта.

П р им е р 5. Эффект плотности проколов. В качестве подложки использовались два случая пряденых полипропиленовых листов 100 г/м каждый, продаваемых на рынке фирмой Дю Понт Де Немур Интернешенл С.А. под товарным наименованием ТИПАР СТАЙЛ 3308. Подложка была обработана замасливателем, в качестве которого использовался финишный раствор А из

примера 2. Для предварительного разрыхления использовались гладкие иглы диаметром 0,55 мм при плотности 270 проколов/см2, а сшивание производилось с использованием тех же игл, что и в примере 1

при плотностях проколов, указанных в

табл.5, и глубине проникновения игл 14 мл.

Увеличение плотности проколов при

сшивании несколько увеличивает значение

0 результатов нагрузочного и прочностного испытаний.

Пример 6. Комбинация из более чем двух листов пряденых подложек, сшитых друг с другом. 8 качестве подложки был

5 использован тот же материал, что и в примере 5, который был обработан замасливателем, представлявшим собой финишный раствор А из примера 2. Предварительное разрыхление было выполнено с использова0 нием гладких игл диаметром 1,1 мм при плотности проколов 220 на сантиметр квадратный, а сшивание было выполнено с помощью тех же игл, что и в примере 1, но с плотностью 220 проколов на квадратный

5 сантиметр и при проникновении игл 14 сантиметров сверху и 15 сантиметров снизу. Результаты испытаний приведены в табл.6. Формула изобретения

1.Способ изготовления композици- 0 онного материала из слоев прядено-связанного материала, заключающийся в соединении слоев путем прокалывания их зазубренными иглами, обеспечивающими перепутывание нитей соседних слоев, о т5 л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения эффективности процесса, перед соединен и ем слоев прокалыванием их зазубренными иглами на нити наносят покрытие замасливающим материалом, после

0 чего осуществляют разрушение связей ду нитями путем прокалывания слоев гладкими иглами.

2.Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что прокалывание слоев гладкими игла5 ми осуществляют с концентрацией 50-700 проколов/см2.

. 3. Способ по п. 1. о т л и ч а ю щ и и с я тем, что для изготовления используют многослойную стопу с плотностью до 20-300

0 г/м2.

4.Способ по п.1, отличающийся тем, что материал нитей выбирают из груп. пы, включающей полипропилен, полиэтилен, полиэфирГ полиамид и комбинации 5 этих полимеров.

5.Способ по л.1,отличающийся тем, что замасливающий материал выбирают из Группы, включающей полисилоксан,

- аксид полипропилена, полиоксиэтилен лау- рит, полиалкилен гликоль и гликольный эфир.

Таблица 1

Сущность изобретения: слои пряденно- связанного материала соединяют путем прокалывания их зазубренными иглами. В результате такого прокалывания обеспечивается перепутывание нитей соседних слоев. Перед соединением слоев на нити наносят покрытие замасливающим материалом, а затем разрушают связи между нитями путем прокалывания слоев гладкими иглами. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.

Таблица 2

Таблица 3

Продолжение табл. 3

Тйблицз 4

Таблица 5

Таблица 6

ft

Продолжение табл. б