DE10115764A1 - Formkörper, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung desselben - Google Patents

Abstract

Es wird ein Formkörper sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und die Verwendung desselben vorgeschlagen. Der Formkörper besteht aus mit einem Polypropylen enthaltendem thermoplastischen Bindemittel durch Anschmelzung des Bindemittels gebundenen Trägerfasern. Das Bindemittel enthält Polypropylen mit einer Beimengung von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 3 Gew.-%, pyrogener Kieselsäure zu Polypropylen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und die Verwendung desselben.

Fasermatten, die zu Formteilen verpreßt werden, wie Matten aus Holz-, anderen Natur- oder Kunstfaserri, die beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik Anwen­ dung finden (Schall- und Wärmedämmung), enthalten Bindemittel, die dem Formteil, das aus diesen Matten gefertigt wird, die benötigte mechanische Festigkeit verleihen.

Lange Zeit wurden hierfür Phenolharze verwendet, Du­ romere also, deren Eigenschaftsspektrum bezüglich Verarbeitung, Festigkeit und Preis dem Verwendungs­ zweck voll entspricht, deren Umweltverträglichkeit aber zunehmend als ungenügend eingestuft wird. Dies gilt sowohl für die Umweltbelastung durch die Produk­ tion als auch für die gefertigten Produkte, die ja überwiegend in engen Fahrgastzellen eingesetzt wer­ den. Aus den zahlreichen Schriften zum Stand der Technik phenolharzgebundener Holzfaserwerkstoffe sei beispielsweise DE 37 21 663 C3, DE 37 21 664 A1, DE 38 25 987 C2 genannt. Hinzu kommt, daß der Einsatz von duromeren Bindemitteln das Recycling von Produktions­ abfällen und Fertigteilen erschwert. Schon seit eini­ ger Zeit gibt es daher Versuche, als Bindemittel für Fasermatten Thermoplaste einzusetzen (DE 44 17 836 C2. Als preiswertes Bindemittel für Verkleidungsteile im Automobilinnenraum auf thermoplastischer Basis setzt sich immer mehr Polypropylen durch, insbesonde­ re für textile Verbundstrukturen mit verkleidendem und lasttragendem Charakter. Das Polypropylen zeich­ net sich für diese Fälle unter anderem durch eine niedrige spezifische Dicht, geringe Wasseraufnahme, einen relativ weiten Gebrauchstemperaturbereich und einen auf das Fasermaterial abgestimmten Schmelzpunkt aus.

Ein wesentlicher Nachteil des Polypropylens ist seine Kriechneigung. Abhängig von der Beanspruchung des Ma­ terials ist ein Kriechen, d. h. eine irreversible Ver­ formung zu verzeichnen. Dieser Vorgang ist Zeit- und temperaturabhängig. Polypropylen wird auch bei der Fertigung textiler Faservliese häufig als Bindemittel eingesetzt. Während aber bei textilen Vliesen das Temperaturverhalten des Bindemittels meist eine un­ tergeordnete Rolle spielt, ist es für das Verhalten von Kfz-Innenraumbauteilen, die aus Fasermatten ge­ preßt wurden, bei Wärmebelastung maßgebend, da die Temperaturbelastung im Kraftfahrzeuginnenraum durch Sonneneinstrahlung nahezu 100°C erreichen kann. In diesem Temperaturbereich zeigt Polypropylen ausgeprägtes visko-elastisches Verhalten (auch als "Krie­ chen" bezeichnet), d. h. bei höheren Temperaturen ver­ formt sich ein Bauteil unter Belastung bleibend. Die Automobilindustrie schreibt daher entsprechende Wär­ melagerungstests bei der Bauteilzulassung vor.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Formkörper anzu­ geben, der gegenüber bekannten polypropylen­ gebundenen Formkörpern eine verminderte Kriechneigung bei höheren Temperaturen aufweist und dennoch umwelt­ verträglich ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfin­ dung, hierzu entsprechende Herstellungsverfahren und Verwendungen aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Formkörpers gelöst durch den Anspruch 1, bezüglich der Herstellung des Formkörpers durch den Anspruch 4 und bezüglich der Verwendung durch den Anspruch 13.

Bei Untersuchungen zum Einfluß von Füllstoffen im Bindemittel auf das Kriechverhalten unter Wärme bei mechanischer Belastung entsprechender Bauteile wurde überraschend gefunden, daß schon bei geringfügiger Zumischung von pyrogener Kieselsäure zu einem Poly­ propylen enthaltendem Bindemittel ein thermoplasti­ sches Bindemittel erhalten wird, das zu deutlich ver­ besserten Bauteilverhalten bei Wärmelagerungstests führt. Weniger als 10 Gew.-% pyrogene Kieselsäure (be­ zogen auf das Gewicht der im Bindemittel enthaltenem Menge Polypropylen) genügen, um das entsprechende Te­ stergebnis (d. h. die Durchbiegung einer z. B. auf 110 Grad Celsius erwärmten rechteckförmigen Probe unter Gewichtslast; die Verformung sofort nach Wegnahme der Last sowie die bleibende Verformung bei einstündiger Erholung bei Raumtemperatur nach Lastwegnahme) je­ weils um rund 30% zu verbessern. Selbst Mengen unter 1 Gew.-% ergeben noch signifikante Werteverbesserun­ gen, so daß sich unter Berücksichtigung aller Ge­ sichtspunkte (Handhabung, Kosten, Gewicht) ein bevor­ zugter Bereich von 0,3 Gew.-% bis 3 Gew.-% ergibt für die Zugabe von pyrogener Kieselsäure zu Polypropylen. Dieses Ergebnis ist insofern überraschend, als pyro­ gene Kieselsäure zur Verbesserung mechanischer Eigen­ schaften nur bei Elastomeren, also weitmaschig ver­ netzten Kunststoffen großer innerer Beweglichkeit der "Maschen" eingesetzt wird (Silikonkautschuk, Fluor­ kautschuk). Bekannt sind auch Anwendungen in der Fo­ lientechnologie als Antiblockierungs- und Anti-plate out-Mittel, Mittel also, die das "Kleben" zweier (glatter) Folienoberflächen aneinander, und das Ver­ schmutzen von Kalanderwalzen durch Materialwanderung aus der Folie beim Herstellungsprozeß, verringern sollen. Der Einsatz pyrogener Kieselsäure zur Verbes­ serung der Warmfestigkeit von Thermoplasten hingegen ist bisher nicht bekannt geworden.

Pyrogene Kieselsäure wird am Markt in einer Vielzahl von Varianten angeboten. Als wesentlich für die er­ findungsgemäße Anwendung hat sich ergeben, daß mit einer Primärteilchengröße von weniger als 15 nm und einer gewichtsbezogenen Oberfläche von mehr als 150 m²/g des Kieselsäurepulvers optimale Ergebnisse er­ zielbar sind.

Der erfindungsgemäße Formkörper besteht aus mit einem Polypropylen enthaltendem thermoplastischen Bindemit­ tel gebundenen Trägerfasern. Die Bindung der Träger­ fasern erfolgt hierbei durch Anschmelzung des Binde­ mittels, d. h. Erhitzen über den Schmelzpunkt des Po­ lypropylen hinaus. Die Erfindung sieht hierbei vor, daß das Bindemittel pyrogene Kieselsäure mit einer Beimengung bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Menge des Polypro­ pylen im Bindemittel, enthält. Spätestens beim An­ schmelzen des Bindemittels an die Trägerfasern kommt es hierbei zu einer Einbettung der bezüglich dem Po­ lypropylen homogen verteilten pyrogenen Kieselsäure in die Polypropylenstruktur bzw. -matrix. Als Träger­ fasern kommen mehrere Ausgangsstoffe in Betracht. Als kostengünstige Trägerfasern sind insbesondere Zellu­ lose- oder Lignozellulose-Fasern zu nennen, der Ein­ satz von Hanffasern hat sich besonders bewährt. Es sind jedoch auch andere Trägerfasern (wie etwa Fasern aus Kunststoffen oder mineralische Fasern), die sich generell zur Bildung von Vliesstoffen eignen, mög­ lich. Hierbei sind mehrere Anordnungen von Trägerfa­ sern möglich, z. B. können diese in einem verwobenen, gewirkten, gestrickten oder genähten Verbund oder auch vliesmäßig angeordnet sein.

Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Formkörper sind mehrere Varianten möglich. Ihnen gemeinsam ist, daß Trägerfasern mit beigemengten Bestandteilen des Bin­ demittels mit Wärme sowie mechanischem Druck beauf­ schlagt werden, wobei die Trägerfasern durch das Bin­ demittel verbunden werden und sich der erfindungsge­ mäße Formkörper ausbildet.

Eine erste Variante sieht vor, daß die Trägerfasern mit aus Polypropylen und pyrogener Kieselsäure beste­ henden Bindefasern zu einem Gemisch vermischt werden und anschließend das Gemisch mit Wärme und mechani­ schem Druck, unter Bildung des Formkörpers, beauf­ schlagt wird. Der Druckaufbau geschieht hierbei me­ chanisch in einer Presse zwischen zwei im Wesentli­ chen komplementären Formteilen, welche die Form des herzustellenden Formkörpers vorgeben. Hierbei wird das Gemisch außerdem über die Schmelztemeratur des Bindemittels hinaus erhitzt. Nach Entnahme des Form­ körpers aus der Presse sowie Abkühlen ist dieser zur Weiterverarbeitung bereit. Die Herstellung des Form­ körpers kann auch in der Weise erfolgen, daß das Ge­ misch aus Trägerfasern und Bindefasern zunächst nur erwärmt und dann in einem kalten Werkzeug verformt wird.

Auf diese Weise ergibt sich ein sehr homogen aufge­ bauter Formkörper, da die Bindefasern bei der Vlies­ legung mit den Trägerfasern vermischt bzw. gemeinsam gelegt werden, außerdem läßt sich damit eine geson­ derte Streuvorrichtung für die Bindemittelanteile einsparen.

Das erfindungsgemäße Bindemittel, welches einen Ver­ bund von Polypropylen und pyrogener Kieselsäure ent­ hält, ist in dem als bevorzugt genannten Bereich von 0,3 Gew.-% bis 3 Gew.-% pyrogener Kieselsäure zu Poly­ propylen problemlos zu Bindefasern verspinnbar. Die Feinheit derartiger Fasern kann den Produktionsbedin­ gungen angepaßt werden. Eine längenbezogene Masse von 6 dtex bis 7 dtex ist bevorzugt, es sind jedoch auch Werte von 15 dtex zu realisieren.

Es ist zu beachten, daß beim Vermischen bzw. Legen von Fasern, etwa bei der Vliesbildung es durch elek­ trostatische Aufladung der Fasern zu unerwünschten Faserseparierungen kommen kann, hiervon können auch die Bindefasern betroffen sein. Es ist daher zweckmä­ ßig, die Bindefasern nach dem Stand der Technik ent­ sprechend antistatisch auszuführen (z. B. Behandlung mit Avivagen).

Bei dem Verfahren, bei dem bereits fertige Bindefa­ sern den übrigen Trägerfasern zugeschlagen werden, werden diese Bindefasern bereits vorher aus Polypro­ pylenschmelze und pyrogener Kieselsäure hergestellt. Bei der Herstellung der Bindefasern kann die pyrogene Kieselsäure in der für die benötigte Endkonzentration benötigten Menge direkt in eine Polypropylenschmelze eingebracht werden. Wenn aus dem Verbund von Polypro­ pylen und Kieselsäure Bindefasern gesponnen werden sollen, ist es jedoch vorteilhaft, den Verbund im so­ genannten "Masterbatch"-Verfahren herzustellen. Hier­ bei wird zunächst eine Polypropylenschmelze mit höhe­ rem Anteil pyrogener Kieselsäure hergestellt, welche dann so mit Polypropylen gemischt wird, daß sich letztlich das vorgesehene Gewichtsverhältnis von py­ rogener Kieselsäure zu Polypropylen ergibt.

Es ist jedoch auch möglich, daß eine im Wesentlichen homogene Mischung pulverförmigen Polypropylens sowie pulverförmiger pyrogener Kieselsäure im oben bezeich­ neten bevorzugten Gewichtsverhältnis auf oder in eine Fasermatte oder ein Faservlies aus Trägerfasern ge­ streut wird und die bestreute Fasermatte oder das be­ streute Faservlies unter Bildung des Formkörpers mit Wärme und Druck beaufschlagt wird. Beim thermischen Verfestigen zu einem Formkörper, z. B. beim warmen Ka­ landrieren mit Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Propylens, erfolgt hierbei die Einlagerung der pyro­ genen Kieselsäure in die Polypropylenmatrix, wodurch sich auch das verbesserte Kriechverhalten des Poly­ propylens begründet.

Alternativ ist es jedoch auch möglich, daß die homo­ gene Pulvermischung zunächst in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, dispergiert wird. Anschließend werden die Trägerfasern mit dieser Dispersion beleimt und die beleimten Trägerfasern anschließend unter Druck- und Wärmebeaufschlagung zu dem erfindungsgemäßen Formkörper weiterverarbeitet.

Alle hier vorgeschlagenen Herstellmethoden haben ge­ meinsam, daß die Erwärmung der pyrogenen Kieselsäure und des Polypropylen auf mindestens die Schmelztempe­ ratur des Polypropylens, die bei etwa 165°C liegt, erfolgt. Da bei den maschinellen Transportvorgängen Wärme an die Umgebung abgegeben wird, findet übli­ cherweise eine höhere Erwärmung auf ca. 185°C bis 190°C statt. In der Regel erfolgt die Erwärmung über Wärmeleitung und dauert abhängig vom Material (Faser­ mischung z. B. Glas oder Naturfasern) bis zu 180 s. Hierdurch wird sichergestellt, daß die pyrogene Kie­ selsäure in die Polypropylenmatrix ein- bzw. angebun­ den wird und der später mit diesem Bindemittel gebun­ dene Formkörper die erfindungsgemäße Verbesserung seines Kriechverhaltens aufweist.

Unabhängig von der Herstellungsweise eignen sich die hergestellten Formkörper insbesondere als Verklei­ dungsteil in einem Automobilinnenraum, da besonders an den sonnenexponierten Stellen, welche zusätzlich mechanisch belastet werden, das Kriechen aufgrund von strengen Normen der Automobilindustrie auf ein Mini­ mum zu begrenzen ist.

Abhängig vom Einsatzzweck sowie den vorliegenden Trä­ gerfasern und deren Anordnung variiert die maximale Menge des thermoplastischen Bindemittels im Verhält­ nis zu dem Gewicht der Trägerfasern. Üblicherweise betragen die Trägerfasern gewichtsbezogen zwischen 30% und 70% des Halbzeuggewichtes, d. h. der Bindemit­ telgehalt liegt zwischen 70 und 30 Gew.-%. In der Re­ gel beträgt das gewichtsbezogene Verhältnis Trägerfa­ ser zu Bindemittel 50% zu 50%.

Bei den erfindungsgemäßen Formkörpern enthält das Bindemittel stets Polypropylen sowie damit verbundene bzw. eingebundene pyrogene Kieselsäure. Das Bindemit­ tel kann ausschließlich aus diesen beiden Komponenten bestehen. Es ist jedoch auch möglich, zur Erzielung gewünschter Eigenschaften des Formkörpers, diesen beiden Komponenten weitere Stoffe zuzuschlagen.

Es sind unterschiedliche pyrogene Kieselsäuren er­ hältlich, welche sich z. B. durch ihr Verhalten gegen­ über Wasser bzw. andersartige Oberflächengruppen von­ einander unterscheiden. Diese Eigenschaften sind auch wesentlich für die Ver- bzw. Anbindung der pyrogenen Kieselsäure an das Polypropylen.

Es treten prinzipiell zwei Effekte auf, die Anbindung (unter Anbindung werden hier molekulare Wechselwir­ kungen wie Van-der-Waals-Kräfte, also Dipol-Kräfte zwischen Kieselsäure und Polypropylen verstanden) hängt zum einen von der Affinität der Grenzflächen zueinander ab, je besser diese ist, desto größer sind die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen, zum an­ deren von der möglichen Kontaktfläche bzw. Benetzbar­ keit. Je größer die Kontaktfläche ist, desto eher können Wechselwirkungen eintreten bzw. kann es zu formschlüssigen Verbindungen kommen.

Claims (13)

1. Formkörper aus mit einem Polypropylen enthalten­ dem thermoplastischen Bindemittel gebundenen Trägerfasern, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel pyrogene Kieselsäure mit ei­ ner Beimengung von bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der enthaltenen Menge des Polypropylen, enthält.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerfasern Zellulose- oder Ligno­ zellulose-Fasern Fasern aus Kunststoffen oder mineralische Fasern sind.

3. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerfasern in einem verwobenen, gewirkten, gestrickten oder genähten Verbund oder vliesmäßig angeordnet sind.

4. Verfahren zur Herstellung des Formkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser aus Trägerfasern mit beige­ mengten Bestandteilen des Bindemittels unter Wärme- und Druckbeaufschlagung gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerfasern lose mit Polypropylen und pyrogene Kieselsäure enthaltenden Bindefa­ sern zu einem Gemisch vermischt werden und an­ schließend das Gemisch mit Wärme und Druck, un­ ter Bildung des Formkörpers, beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bindefasern eine längenbezogene Masse bis zu 15 dtex, vorzugsweise 6 bis 7 dtex aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bindefasern antistatisch sind.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß eine im Wesentlichen homogene Mischung pulverförmigen Polyropylens sowie pulverförmiger pyrogener Kieselsäure auf oder in eine Fasermat­ te oder ein Faservlies aus Trägerfasern gestreut wird und die bestreute Fasermatte oder das be­ streute Faservlies unter Bildung des Formkörpers mit Wärme und Druck beaufschlagt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die mittlere Primärteilchengröße des pyrogenen Kieselsäurepulvers kleiner als 15 nm ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die spezifische Oberfläche des pyroge­ nen Kieselsäurepulvers größer als 150 m²/g ist.

11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß eine im Wesentlichen homogene Mischung pulverförmigen Polypropylens sowie pulverförmi­ ger pyrogener Kieselsäure in einer Flüssigkeit dispergiert und die Trägerfasern mit dieser Die­ spersion beleimt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Bildung des Bindemittels die pyro­ gene Kieselsäure in eine Polypropylenschmelze eingebracht wird.

13. Verwendung des Formkörpers nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß dieser ein Verklei­ dungsteil in einem Automobilinnenraum ist.