DE102008046770A1

DE102008046770A1 - Direktcompoundieren von Naturfasern

Info

Publication number: DE102008046770A1
Application number: DE102008046770A
Authority: DE
Inventors: Franziska STRÜMPEL; Christoph Lange
Original assignee: Polytec Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-03-18

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung von naturfasergefüllten Bauteilen (Formkörpern) im Spritzgieß-Direktverfahren. Als Naturfaser wird vorzugsweise Grünflachs eingesetzt. Die Naturfaser, nachfolgend im Wesentlichen als Grünflachs stellvertretend für andere Naturfaserpflanzen bezeichnet, dient dabei als kostengünstiger Füllstoff, der gleichzeitig auch die mechanischen Eigenschaften der Bauteile verbessern kann.

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung von naturfasergefüllten Bauteilen (Formkörpern) im Spritzgieß-Direktverfahren. Als Naturfaser wird vorzugsweise Grünflachs eingesetzt. Die Naturfaser, nachfolgend im Wesentlichen als Grünflachs stellvertretend für andere Naturfaserpflanzen bezeichnet, dient dabei als kostengünstiger Füllstoff, der gleichzeitig auch die mechanischen Eigenschaften der Bauteile verbessern kann.
Bislang ist Grünflachs nur im Pressverfahren verarbeitbar. In der Spritzgießtechnik sind naturfasergefüllte Granulate bekannt, die jedoch aufgrund des Herstellungsverfahrens (Granulierens) zum einen eine deutlich geringere maximale Faserlänge aufweisen, zum anderen nach der Granulatherstellung wieder ein weiteres mal auf einer Spritzgießmaschine aufgeschmolzen werden müssen. Dies führt zu einer thermischen Schädigung der Naturfasern. Weiterhin können zur Zeit auch partikuläre Füllstoffe wie Holzmehl als Compound verarbeitet werden, diese müssen ebenfalls wieder aufgeschmolzen werden.
Holzmehl als Füllstoff führt nur zu einer Erhöhung der Steifigkeit der Formkörper. Naturfasergefüllte Granulate werden in gleicher Weise wie Holzmehl compoundiert und nach dem Compoundieren zu einem rieselfähigen Material granuliert. Hierdurch werden die eingebundenen Naturfasern erheblich gekürzt. Neben der Verringerung der mechanischen Eigenschaften führt dies auch zu einem unangenehmen Geruchsbild (”verbranntes Holz”).
Die Verarbeitung von Grünflachs im Pressverfahren erfordert eine vorgeschaltete Behandlung (schneiden, quetschen etc.), die ebenfalls Kosten verursachen. Zudem ist bei Pressbauteilen eine geringe Gestaltungsfreiheit des Bauteils nachteilig.
DE 44 07 597 A1 betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von cellulosischen Naturfasern in thermoplastischen Kunststoffen, so dass für den technischen Einsatz ausreichende Haftwerte erzielt werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man die cellulosischen Naturfasern mit einer Lösung aus einem organischen Lösungsmittel, einem organischen Lösungsmittel/Wasser-Gemisch oder Wasser, in dem sich mindestens ein ungesättigtes Organosilan und zusätzlich ein Katalysator befindet, gelöst ist, behandelt, anschließend trocknet und mit mindestens einem organischen Peroxid aus organischer Lösung imprägniert und anschließend trocknet, oder die cellulosischen Naturfasern mit einer organischen Lösung aus mindestens einem ungesättigten Organosilan, mindestens einem Katalysator und mindestens einem Peroxid behandelt und anschließend trocknet. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostenaufwendig und hat sich daher nicht für die Herstellung von Formkörpern, insbesondere im Automobilbereich durchgesetzt.
DE 198 15 783 A1 betrifft faserverstärkte Kunststoffformkörper unter Verwendung von endlich langen Naturfasern, die sehr hohe Festigkeiten und Steifigkeiten sowie eine weitestgehend homogene Faserverteilung aufweisen und somit auch für hochwertige Anwendungen geeignet sind. Um diese herzustellen, wird vorgeschlagen, dass die Formkörper durch die Naturfasern unidirektional verstärkt, und dass die Naturfasern parallelisierte Fasern in Strang- und Bänderform sind. Auch dieses Verfahren ist äußerst kostenaufwendig und hat sich ebenso nicht durchsetzen können.
WO 2006/063975 A2 betrifft ein Verbundbauteil aus Flachsfaserstängeln, umfassend eine Stängelmatte aus feldseitig unbehandelten, ungerösteten, feldtrockenen und gequetschten Flachsfaserstängelabschnitten in ungeordneter Verteilung oder in geordneter Ausrichtung im wesentlichen zwischen einem unteren Trägermaterial und einem oberen Trägermaterial, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie eine entsprechende Vorrichtung. Hierbei ist vorgesehen, dass die Flachsfaserstängel mit konventioneller Technik in Parallellage zur Feldtrocknung abgelegt und wenn erforderlich auch gewendet werden, mit einer Ballenpresse zu Rundballen für den weiteren Verarbeitungsprozess bereitgestellt werden. In einer nachgeordneten stationären Verarbeitungsstufe erfolgt das Abbrennen von Wurzelbestandteilen sowie Samenkapseln, nachdem der Rundballen mit einer gebräuchlichen Einrichtung abgerollt wurde. Hieran anschließend werden die in paralleler Lage befindlichen Stängel in definierte Stängelabschnitte mit vorzugsweise 1 bis 15 cm Länge geschnitten. In einem weiteren Prozessabschnitt werden diese eingekürzte Stängelabschnitte über ein Quetsch-Scherwalzwerk an der Oberfläche so gequetscht, dass dabei weder die Faserstruktur beschädigt noch ein Ablösen einzelner Stängelbestandteile von der Faser bewirkt wird. Die derart aufbereiteten Stängelabschnitte werden anschließend vorzugsweise auf eine Trägerstruktur, insbesondere unter Beibehaltung der Faserausrichtung aufgestreut und nähwirktechnisch zu flächigen Halbzeugen abgebunden oder aber direkt nach dem Aufstreuen der Bauteilherstellung mittels Presstechnologie zugeführt.
Hieraus ergibt sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die in der Bereitstellung von Kunststoffbauteilen (Formkörpern) im Spritzgießverfahren besteht, die mit kostengünstigen Naturfasern gefüllt bzw. verstärkt werden. Dadurch können Bauteile mit nachwachsenden Rohstoffen und hoher Gestaltungsfreiheit erstellt werden, die aufgrund des Naturfaseranteils kostengünstiger sind als ungefüllte. Zudem können unter Umständen die mechanischen Eigenschaften gleichzeitig verbessert werden (Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit etc.), da die Naturfasern direkt nach dem Einmischen in die Kunststoffmatrix zu einem fertigen Bauteil verarbeitet werden.
Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung flachsfasergefüllter Formkörper mittels Spritzgießen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man feldseitig unbehandelte, ungeröstete, feldtrockene Naturfasern und wenigstens einen Thermoplasten und/oder einen Duroplasten jeweils einem Extruder zuführt, das daraus resultierende Gemisch plastifiziert und anschließend in eine Spritzeinheit überführt.
Eine vorgeschaltete Granulierung findet nicht statt. Auch wird die thermische Beanspruchung der Naturfasern drastisch minimiert, was neben einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften auch zu einer Verbesserung des Geruchsbildes führt.
Der Grünflachs wird einer Maschine zugeführt, die sowohl eine Compoundiereinheit (beispielsweise Doppelschneckenextruder) wie auch über eine Spritzeinheit (Kolbenspritzaggregat) verfügt. Mit entsprechenden im Handel erhältlichen Spritzgieß-Compoundern wird in nur einem Schritt das Material compoundiert und inline das Produkt spritzgegossen. Der Aufbereitungsprozess des Polymers mit den Naturfasern zu einem Compoundgranulat wird übersprungen, so dass auf diese Weise in einem Einstufenprozess gearbeitet werden kann. Das Spritzgießdirektverfahren spart einen vollständigen Produktionsschritt. Beim Direktspritzgießverfahren werden üblicherweise gleichsinnig drehende Doppelschneckenextruder eingesetzt. Sie werden durch einen Einfülltrichter mit den Thermoplasten und/oder Duroplasten in Form von Pulvern oder Granulaten beschickt. In einem separaten oder in dem selben Einfülltrichter oder einer Entgasungszone wird auch die feldseitig unbehandelte, ungeröstete feldtrockene Naturfaser zugefügt. Das Material wird in dem Doppelschneckenextruder erwärmt, homogenisiert, plastifiziert, transportiert und mit dem Einspritzkolben in die Kavität eingespritzt.
Der Grünflachs wird hierbei als Ganzes oder aber in geschnittener Form, oder auch kombiniert mit vorgeschalteten Aufbereitungsprozessen der Compoundiereinheit zudosiert.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die Naturfaserpflanze Flachs (Grünflachs), Hanf oder andere cellulosische Fasern. Der Grünflachs wird beim Einbringen in die Compoundiereinheit automatisch zerkleinert und aufgeschlossen (gequetscht), so daß eine optimale Benetzung und Vermischung mit der Kunststoffmatrix erfolgen kann.
Als matrixbildendes Material können im Sinne der vorliegenden Erfindung Thermoplaste und/oder Duroplaste eingesetzt werden. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die Thermoplaste ausgewählt aus der Gruppe Polyolefine, insbesondere Polypropylen (PP); Polyester; Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) und ASA sowie Blendsysteme (PC-ABS). Auch die Gruppe der biologisch abbaubaren Kunststoffe wie Polylactate können zum Einsatz kommen.
Als Duroplaste können neben den herkömmlichen Systemen im Sinne der vorliegenden Erfindung auch Harze auf der Basis nachwachsender Rohstoffe eingesetzt werden, insbesondere Zuckerrohrharzsysteme Die Faser-Matrix-Haftung kann durch Zugabe von entsprechenden Additiven (Haftvermittlern) noch unterstützt werden. Das so compoundierte Naturfaser-Kunststoffgemisch wird dann in die Kolbenspritzeinheit eindosiert und anschließend in eine Spritzgießform eingebracht. Besonderheit des Direktcompoundierens ist, daß neben funktionalen Additiven (z. B. Haftvermittler, Farbe, Gleitmittel u. a.) auch zusätzliche, andersartige Verstärkungs-/Füllstoffe (z. B. Glas, Talkum, Kreide, Holzmehl u. a.) in beliebigen Gewichtsanteilen eingebracht werden können. Die Mengen können im Gewichtsanteil variabel sein, das heißt unter Umständen auch höher oder niedriger als der Naturfaseranteil.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung besteht weiterhin in dem direkten Hinterspritzen oder Hinterprägen von Dekoroberflächen, beispielsweise aus Textilien, Leder oder Folien – gegebenenfalls auch mit Schaumrücken oder andersartiger Hinterspritzausrüstung. Hierbei ist auch in einem Arbeitsgang das Prägen (Narbprägen) von entsprechenden Dekoroberflächen möglich, die sich während des Hinterspritzens in der Kavität befinden.
Wesentlicher Kern der vorliegenden Erfindung ist also die Zudosierung des Grünflachses auf einer Spritzgießmaschine, die über eine Compoundiereinheit zu Einmischung des Füllstoffes in die Kunststoffmatrix verfügt.
Die Verarbeitung des Grünflachses im Direktcompoundieren/-Spritzgießen emöglicht die Herstellung von naturfasergefüllten Bauteilen zu geringstmöglichen Kosten, da keine vorgeschalteten Prozesse wie granulieren, quetschen, Herstellung von Faserbündeln/-spulen etc. erforderlich sind. Es wird statt dessen die ganze Pflanze bzw. mindestens ein größerer Anteil als bei herkömmlichen Naturfasern, verwendet. Die Naturfaser dient hierbei als kostengünstiger und leichter Füllstoff, der aufgrund seiner Zusammensetzung eine Verbesserung der mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und/oder Zähigkeit erzielen kann. Durch die Verarbeitung im Spritzgießverfahren ist eine höhere Gestaltungsfreiheit möglich als im bislang bekannten Pressverfahren. Zudem wird die thermische Schädigung der Naturfaser minimiert, da die empfindlichen Fasern direkt eingemischt und zu einem fertigen Bauteil verarbeitet werden. Die Verarbeitung findet sozusagen ”in erster Wärme” statt.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst naturfasergefüllte Spritzgussformkörper, die dadurch gekennzeichnet sind, dass diese feldseitig unbehandelte, ungeröstete, feldtrockene Naturfasern und wenigstens einen Thermoplasten und/oder einen Duroplasten umfassen. Die erfindungsgemäßen Formteile unterscheiden sich von bisher im Stand der Technik bekannten Formteilen durch ihr Herstellungsverfahren und die damit einhergehenden technischen Vorteile von Spritzgussformkörpern gegenüber gepressten Bauteilen. Weiterhin ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäßen Spritzgussformkörper Naturfasern in unterschiedlichsten Erscheinungsformen enthalten und damit nicht auf konkrete Größen festgelegt sind. Die Faserlängen variieren entsprechend insbesondere in Abhängigkeit vom Eintragungsort in die Compoundier-/Extrudiereinheit.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Spritzgußformkörper, die 20 Gew.-% bis 70 Gew.-%, insbesondere 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% Naturfasern enthalten. Wird die Menge der Naturfasern zu gering gewählt, so ist deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Spritzgussformkörper zu gering. Weiterhin ist die Dichte des Bauteils und damit das Gewicht im Vergleich zu einem ungefüllten Bauteil nur unwesentlich geringer. Ist der Anteil an Naturfasern in den Spritzgussformkörpern zu hoch, kann dies zu einer Verringerung bestimmter notwendiger mechanischer Eigenschaften, die über das Matrixmaterial erzielt werden, wie beispielsweise Zähigkeit, führen. Weiterhin hat ein zu hoher Anteil an Naturfasern den Nachteil, dass die Verarbeitbarkeit des Gemisches beispielsweise durch Änderung der Viskosität negativ beeinflusst wird.
Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die Naturfaser Grünflachs, insbesondere in der Art und Weise, wie er gemäß der WO 2006/063975 A2 gewonnen werden kann.
Die in den Spritzgussformkörpern enthaltenden Thermoplaste und Duroplaste wurden bereits eingangs im Beschreibungsteil des Verfahrens definiert. Gleiches gilt auch für die in den Spritzgussformkörpern enthaltenden weiteren Bestandteilen der Matrixkomponenten und/oder der Naturfasern.
Daneben umfasst die vorliegende Erfindung weiterhin hinterspritzte oder hinterprägte Dekoroberflächen, die in der entsprechenden Kavität mit den naturfasergefüllten Komponenten hinterspritzt oder hinterprägt werden. Diese Dekoroberflächen, beispielsweise Textilien, Leder oder Folie können gegebenenfalls auch genarbte Oberflächen (Sichtseite) aufweisen, die so in einem Arbeitsgang erstellt werden.
Ausführungsbeispiel:
Der Grünflachs wurde als Ganzes oder aber in geschnittener Form (Länge 20–60 mm) der Extrudereinheit zudosiert. Während der Einmischung in die Matrix, Polypropylen (PP), mit einer handelsüblichen Spritzguss-Direktcompoundieranlage (Krauss-Maffei), wurde der Grünflachs weiter zerkleinert und vollständig aufgeschlossen/-gequetscht. Das Kunststoffmaterial PP wurde hierbei bei Temperaturen von 180–220°C verarbeitet. Die Zugabe des Grünflachses erfolgte entweder antriebsnah (am Anfang der Compoundierstrecke) oder aber antriebsfern, abhängig von der zu erzielenden Faserlänge. Dem Kunststoff (PP) konnte vorher oder während der Zumischung des Grünflachses weitere Materialien wie Haftvermittler, Glasfasern etc. zudosiert werden. Das so entstandene Materialgemisch wurde dann vollständig homogenisert und in eine Spritzeinheit (Kolbenspritzeinheit) umgefüllt. Anschließend wurde das Materialgemisch in eine Spritzgießform eingebracht und zu einem fertigen Bauteil, in diesem Fall einem Türverkleidungsträger, ausgeformt. Nach Abkühlen der Schmelze im Werkzeug, welches temperiert war (materialabhängig, bei PP beispielsweise 20 bis 40°C) konnte das fertige Bautel entformt werden. Im Gegensatz zum Pressverfahren waren hierbei auch komplexe Geometrien wie Befestigungselemente (Retainer), Rippenstrukturen, Hinterschnitte etc. darstellbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4407597 A1 [0005]
- DE 19815783 A1 [0006]
- WO 2006/063975 A2 [0007, 0021]

Claims

Verfahren zur Herstellung flachsfasergefüllter Formkörper mittels Spritzgießen, dadurch gekennzeichnet, dass man feldunbehandelte, ungeröstete, feldtrockene Naturfasern und wenigstens einen Thermoplasten und/oder einen Duroplasten jeweils einem Extruder zuführt, das daraus resultierende Gemisch plastifiziert und anschließend inline in eine Spritzeinheit überführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Naturfaserpflanzen mit oder ohne Wurzel- und Samenbestandteile oder Naturfasern enthaltende Pflanzenstängel als Ganzes oder in geschnittener Form einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfaserpflanzen Flachs (Grünflachs), Hanf und/oder andere cellulosische Fasern umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplaste ausgewählt sind aus der Gruppe Polyolefine, insbesondere Polypropylen; Polyester; Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere, Blendsysteme und biologisch abbaubare Kunststoffe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man neben Duroplasten, ausgewählt aus der Gruppe der Polyurethane, Polyester-, Vinylester-, oder Epoxidharze auch Harze auf der Basis nachwachsender Rohstoffe einsetzt, insbesondere Zuckerrohrharz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Extruder direkt oder indirekt über die Matrixkomponente und/oder die Naturfasern weitere Additive, insbesondere Haftvermittler, Färbemittel, Gleitmittel, Verstärkungsstoffe, und/oder Füllstoffe zufügt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Dekoroberfläche hinterspritzt oder hinterprägt.
Naturfasergefüllter Spritzgussformkörper, dadurch gekennzeichnet, dass dieser feldseitig unbehandelte, ungeröstete, feldtrockene Naturfasern und wenigstens einen Thermoplasten und/oder einen Duroplasten umfassen.
Spritzgussformkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 20 Gew.-% bis 70 Gew.-%, insbesondere 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% Naturfasern enthält.
Spritzgussformkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfaser Grünflachs umfasst.
Spritzgussformkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoplaste ausgewählt sind aus der Gruppe Polyolefine, insbesondere Polypropylen; Polyester; Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere, Blendsysteme und biologisch abbaubare Kunststoffe.
Spritzgussformkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Duroplaste ausgewählt aus der Gruppe der Polyurethane, Polyester-, Vinylester-, oder Epoxidharze, auch Harze auf der Basis nachwachsender Rohstoffe, insbesondere Zuckerrohrharz umfassen.
Spritzgussformkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente und/oder die Naturfasern weitere Additive, insbesondere Haftvermittler, Färbemittel, Gleitmittel, Verstärkungsstoffe, und/oder Füllstoffe umfassen.
Spritzgussformkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine gegebenenfalls hinterspritzte oder hinterprägte Dekoroberfläche aus Textilien, Leder oder Folie aufweist.