DE19806270A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbundplatte - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer VerbundplatteInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines Materi-
als aus thermoplastischem Harz und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundplatte aus thermoplastischem Harz, die durch orientierte, lange, unterbrochene
Fasern unterschiedlicher Länge verstärkt ist.
Es ist bekannt, Pellets aus faserverstärktem Harz mit kurzen Fasern herzustellen, deren
Länge zwischen 3 und 6 mm ist. Thermoplastisches Harzpulver oder Harzkörnchen
werden in einem Extruder verarbeitet. Eine große Zahl von Artikeln sind aus den Pellets
des faserverstärkten Harzes durch Spritzgußformung herstellbar. Der oben geschriebe
ne Vorgang verursacht ein Brechen der kurzen Fasern auf eine Länge zwischen 0,2 und
0,4 mm. Der Verstärkungseffekt dieser kurzen Fasern wird durch deren Desorientierung
weiter verschlechtert. Die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte, die nach dem
obigen Verfahren aus den Pellets hergestellt sind, ist deshalb eine Kompromißlösung,
da die Endprodukte nur von unorientierten kurzen Fasern verstärkt werden, die aller
dings einfach geformt oder gestaltet werden können.
Im Jahre 1975 haben L. Kacir, et al ein Verfahren zur Verbesserung der Orientierung
kurzer Fasern in einer Matte offenbart. Das Verfahren ist in POLYMER ENCINEERING
AND SCIENCE Vol. 15, No. 7 (1975), Seiten 525-531 veröffentlicht. Das Verfahren ist je
doch nicht wirksam zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Matte, weil
die Länge der Fasern nur im Bereich zwischen 3 und 12 mm liegt, obwohl bis zu 90%
der kurzen Fasern innerhalb eines Bereichs von ±15° zur Längenachse ausgerichtet
sind.
Einer der Erfinder der vorliegenden Erfindung, Herr Chen-Chi Martin Ma und seine Kol
legen haben Pellets aus fasernverstärktem Kunststoff in den taiwanesischen Patenten
44 724 und 57 397 offenbart. Die Länge der enthaltenen Fasern beträgt bis zu 12.4 mm.
Solche Pellets aus faserverstärktem Kunststoff sind zur Herstellung verschiedener Arti
kel durch Spritzgußformung geeignet. Die Pellets können leicht geformt oder gestaltet
werden; allerdings brechen die in den Pellets enthaltenen Fasern leicht bei der Spritz
gußformung. Die aus derartigen Kunststoffpellets hergestellten Artikel enthalten deshalb
Fasern, mit Längen nur zwischen 0.4 und 1.0 mm. Die daraus hergestellten Artikel sind
dementsprechend im allgemeinen in der mechanischen Eigenschaft schlechter als Arti
kel hergestellt aus mit durchlaufenden Fasern verstärktem thermoplastischen Harzver
bundmaterial.
Die aus mit durchlaufenden Fasern verstärktem thermoplastischem Harzverbundmate
rial hergestellten Artikel, haben eine relativ hohe Steifigkeit und Stärke. Dieses Material
kann jedoch nicht leicht geformt oder gestaltet werden, weil es an Biegsamkeit fehlt. Da
her ist das Material nicht geeignet zur Herstellung eines Artikels, der Ausnehmungen
oder eine komplizierte Gestaltung aufweist. Mit anderen Worten, der aus diesem Mate
rial hergestellte Artikel, ist empfindlich bezüglich Falten und Verzerrungen.
Im Jahre 1987 hat R.K Okine, ein Forscher bei Du Pont Corporation US ein Verfahren
zur Herstellung eines dünnen plattenförmigen Verbundmaterial aus thermoplastischem
Harz mit langen, unterbrochenen Verstärkungsfasern (abgekürzt LDF), eingeführt. Das
Verfahren ist in 32nd INTERNATIONAL SAMPE SYMPOSIUM, Seiten 1413-1425, of
fenbart. Das von den LDF verstärkte thermoplastische Harzverbundmaterial weist Fa
sern mit Längen zwischen 2.54 und 15.24 cm auf. Die Fasern sind so regelmäßig geord
net, daß 85% oder mehr der Fasern innerhalb einer Abweichung von +5° bis -5° zur
Längsachse ausgerichtet sind. Daher ist das durch LDF verstärkte thermoplastische
Harzverbundmaterial ähnlich zu dem von den durchlaufenden Fasern verstärktem
thermoplastischen Harzverbundmaterial. Ferner kann das LDF-verstärkte thermoplasti
sche Harzverbundmaterial viel leichter geformt und gestaltet werden als das von den
durchlaufenden Fasern verstärkte thermoplastische Harzverbundmaterial, wie von Ja
mes F. Pratte, et al. in 34th INTERNATIONAL SAMPE SYMPOSIUM (1989), Seiten
2229-2242; Steven J. Medwin in 33rd INTERNATIONAL SAMPE SYMPOSIUM (1988),
Seiten 317-323; und R.K. Okine, et al. in JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND
COMPOSITES, Vol. 8, Seiten 70-90 (1990) vorgeschlagen. Allerdings hat Du Pont Cor
poration US noch nie ein Verfahren zur Herstellung des LDF-verstärkten thermoplasti
schen Harzverbundmaterials offenbart. Außerdem ist kein Verfahren zur Herstellung
eines Verbundplattenprodukts aus LDF-verstärktem thermoplastischem Harzverbund
material bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Ver
bundplattenprodukts bereitzustellen, bei dem orientierte lange, unterbrochene Fasern
mit Längen zwischen 1 cm und 20 cm das thermoplastische Harzverbundmaterial ver
stärken. Das Plattenprodukt enthält vorzugsweise lange Fasern, die zu mehr als 85%
unter einem Abweichungswinkel zwischen ±5° zur Längenachse ausgerichtet sind.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst mit den folgenden Schritten.
Im ersten Schritt werden eine Vielzahl vorgetränkter rechteckiger Streifen eines faser
verstärkten thermoplastischen Harzverbundmaterials einer horizontalen vibrierenden
Siebplatte zugeführt. Die vorgetränkten Streifen können im wesentlichen gleiche Ab
messungen aufweisen mit einer Länge von 1 bis 20 cm, einer Breite von 0.01 bis 0.2 cm
und einer Dicke von 0.01 bis 0.2 cm. Die horizontale Siebplatte hat eine große Anzahl
orientierter Schlitze, die parallel zueinander sind. Die Schlitze haben eine Länge, größer
als die Länge der vorgetränkten Streifen und eine Breite, größer als Breite und Dicke
der vorgetränkten Streifen. Die Schlitze haben eine Breite von 1 bis 5 mm.
Eine Formplatte oder ein Plattenprodukt aus thermoplastischem Harz wird vorher oder
gleichzeitig zur Zufuhr der vorgetränkten Streifen zur Siebplatte unter dieser angeord
net. Die vorgetränkten Streifen fallen durch die Vibration der Siebplatte auf die Formplat
te oder das Plattenprodukt, das das thermoplastische Harz enthält, durch die Schlitze
der Siebplatte.
Nach dem zweiten Schritt sind die vorgetränkten Streifen auf der Formplatte oder dem
Plattenprodukt, das das thermoplastische Harz enthält, angeordnet. Die Formplatte oder
das Plattenprodukt, das das thermoplastische Harz enthält, werden horizontal unterhalb
der Siebplatte entnommen.
Anschließend werden Formplatte oder Plattenprodukt, das das thermoplastische Harz
enthält, mit den abgelagerten vorgetränkten Streifen erwärmt und gepreßt, um ein Plat
tenprodukt zu formen, das thermoplastisches Harz enthält und mit den orientierten und
unterbrochenen langen Fasern verstärkt ist.
Die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendeten vorgetränkten Strei
fen werden vorzugsweise durch Schneiden eine vorgetränkten Platte oder Folie aus mit
durchlaufenden Faser verstärktem thermoplastischem Harzverbundmaterial geformt.
Das Material hat eine Dicke von 0.01 cm bis 0.2 cm. Die vorgetränkte Platte wird ge
schnitten, um die vorgetränkten Streifen zu erhalten. Die vorgetränkten Streifen haben
eine Länge von 1 cm bis 20 cm und eine Breite von 0.01 cm bis 0.2 cm. Die in der vor
getränkten Platte benutzten durchlaufenden Fasern können in Form eines Strangs, ei
nes Vorgespints, eines gewebten Vorgespinst, Gewebes, oder einer Matte verwendet
werden.
Vorzugsweise ist das thermoplastische Harz des faserverstärkten thermoplastischen
Harzverbundmaterial nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung Polypropylen
(PP), Polyamid (Nylon), Akrylnitril-Butadien-Styren Copolymer (ABS), Polycarbonat (PC),
oder Poly (Äther-Äther-Keton) (PEEK).
Vorzugsweise ist eine Faser zur Verwendung beim Verfahren der vorliegenden Erfin
dung eine Glasfaser, Kohlenstoffaser, aromatische Polyamidfaser, Keramikfaser, Metall
faser, oder eine entsprechende Hybridfaser.
Vorzugsweise haben die vorgetränkten Streifen eine Länge von 1.0 cm bis 10 cm.
Vorzugsweise haben die Schlitze der horizontale Siebplatte eine Breite von 2.5 mm bis
5.0 mm.
Die Vibrationsfrequenz der Siebplatte ist 1 bis 50 Hz und vorzugsweise 10 bis 30 Hz.
Vorzugsweise erfolgt die von der horizontalen Siebplatte bewirkte Vibration im wesentli
chen in einer Richtung senkrecht zu ihrer horizontalen Fläche.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind 95% der Fasern so orien
tiert, daß sie innerhalb eines Abweichungswinkels von ±5° zur Längenachse liegen. Die
Verstärkungsfasern haben eine Länge von beispielsweise 15 cm. Die Zugfestigkeit des
nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Plattenprodukts beträgt
ungefähr 80% der Zugfestigkeit eines mit durchlaufenden Fasern verstärkten Platten
produkts. Die Zugfestigkeit des Plattenprodukts der vorliegenden Erfindung ist jedoch
viel größer als die Zugfestigkeit bei Verbundmaterialien, die mit unorientierten langen
Fasern und kurzen Fasern verstärkt sind.
Die vorliegende Erfindung offenbart weiter ein Verfahren zur Vorbereitung eines Plat
tenprodukts, das von orientierten und unterbrochenen langen Fasern verstärkt ist und
thermoplastisches Harz enthält. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte.
In einem ersten Schritt des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, werden eine große
Anzahl Fasern, die im wesentlichen die gleichen Abmessungen haben, auf einer hori
zontal angeordneten vibrierenden Siebplatte abgelagert. Die Siebplatte hat eine große
Anzahl von Schlitzen, die parallel zueinander sind. Die Schlitze haben eine Länge grö
ßer als die Länge der Fasern. Außerdem haben die Schlitze eine Breite größer als
Breite und Dicke der Fasern. Die Breite der Schlitze beträgt 1 bis 5 mm.
Eine Unterschicht aus einem thermoplastisches Harz enthaltenen Plattenprodukt wird
vorher oder gleichzeitig zur Ablagerung der Fasern auf der Siebplatte unter die Sieb
platte gestellt. Die Fasern fallen durch die Vibration der Siebplatte auf die Unterschicht.
Danach wird die Unterschicht horizontal von unterhalb der Siebplatte entfernt. Die Un
terschicht ist nun mit den darauf abgelagerten Fasern versehen.
Die mit den darauf abgelagerten Fasern versehene Unterschicht wird von einer Ober
schicht aus einem thermoplastisches Harz enthaltenen Plattenprodukt abgedeckt, um
ein Laminaterzeugnis, das Oberschicht, Unterschicht und Fasern dazwischen enthält, zu
bilden.
Dann wird das Laminaterzeugnis erwärmt und gepreßt, um ein Plattenprodukt, das von
den orientierten und unterbrochenen langen Fasern verstärkt und aus thermoplasti
schen Harz gebildet ist, zu werden.
Vorzugsweise haben die verwendeten Fasern eine Länge von 1.0 bis 20 cm, eine Dicke
von 0.01 bis 0.2 cm, und eine Breite von 0.01 bis 0.2 cm.
Vorzugsweise sind die Oberschicht und die Unterschicht der Plattenprodukte aus PP,
Nylon, ABS, PC oder PEEK.
Vorzugsweise sind die Fasern aus Glas, Kohlenstoff, aromatischem Polyamid, Keramik,
Metall oder deren Hybriden.
Vorzugsweise haben die Schlitze der Siebplatte eine Breite von 2.5 bis 5.0 mm.
Vorzugsweise beträgt die Vibrationsfrequenz der Siebplatte zwischen 1.0 und 50 Hz,
insbesondere zwischen 10 und 30 Hz.
Günstigerweise erfolgt die Vibration der Siebplatte in zur horizontalen Fläche der
Siebplatte senkrechter Richtung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vibrationsmaschine, die im
Verfahren nach vorliegender Erfindung verwendet ist;
Fig. 1a eine Querschnittsansicht einer Oberform und einer Unterform
mit zwischen den beiden Formen ist großer Anzahl eingekeilten
orientierten und vorgetränkten Streifen;
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung von Zugfestigkeit eines PEEK-Ver
bundmaterials in Abhängigkeit von verschiedenen Faser
längen verstärkenden Kohlenstoffasern;
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung von Biegefestigkeit des PEEK-Verbund
materials in Abhängigkeit von verschiedenen Faserlängen der
verstärkenden Kohlenstoffasern, und
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung von Izodkerbschlagfestigkeit des
PEEK-Verbundmaterials in Abhängigkeit von verschiedenen
Faserlängen der verstärkenden Kohlenstoffasern.
Ein Verfahren nach vorliegender Erfindung zur Herstellung eines Plattenprodukts, das
thermoplastisches Harz enthält und durch orientierte und unterbrochene lange Fasern
verstärkt ist, umfaßt mehrere Schritte, die im folgenden beschrieben sind.
Im ersten Schritt wird ein PP vorgetränktes Plattenprodukt, ein Nylon vorgetränktes
Plattenprodukt, ein ABS vorgetränktes Plattenprodukt, ein PC vorgetränktes Plattenpro
dukt, ein PEEK vorgetränktes Plattenprodukt etc. vorbereitet, welches von durchlaufen
de Fasern, wie zum Beispiel Glasfasern, Kohlenstoffasern oder aromatischen Polyamid
fasern, verstärkt ist, deren Dicke zwischen 0.01 und 0.2 cm sind. Irgendeines der oben
genannten vorgetränkten Plattenprodukte wird in mehrere vorgetränkten rechteckförmi
ge Streifen geschnitten. Die Streifen haben eine Länge von 1 bis 20 cm, und eine Breite
von 0.01 bis 0.2 cm.
Im zweiten Schritt werden eine oder zwei Arten von vorgetränkten Streifen in einer hin
unterlaufenden halbellipsenförmigen Rinne eingeführt. Dann fallen die vorgetränkte
Streifen auf einer vibrierende horizontale Siebplatte einer Vibrationsmaschine. Die Vi
brationsmaschine weist eine Plattform auf, über der die horizontale Siebplatte angeord
net ist, sowie einen unter der Plattform gestellten Motor, welcher mit der horizontalen
Siebplatte verbunden ist. Die Siebplatte ist mit einer Vielzahl von Schlitzen, die parallel
miteinander verbunden sind, versehen. Die Schlitze haben eine Länge größer als die
Länge der vorgetränkten Streifen. Die Schlitze haben eine Breite größer als Breite und
Dicke der vorgetränkten Streifen. Die Vibrationsfrequenz des Motors beträgt zwischen 1
und 50 Hz.
Im dritten Schritt des Verfahrens wird vorher oder gleichzeitig zur Einführung vorgetränk
ter Streifen eine Formplatte unter der horizontalen der Siebvibrationsplatte und auf der
Plattform der Vibrationsmaschine angeordnet. Dann fallen die vorgetränkten Streifen
aufgrund der Vibration auf die Formplatte oder das thermoplastischen Harz enthaltenen
Plattenprodukts durch die Schlitze.
Danach wird die Formplatte oder das thermoplastische Harz enthaltene Plattenprodukt,
mit den abgelagerten vorgetränkten Streifen von der Plattform in horizontaler Richtung
entfernt und anschließend erwärmt und gepreßt zur Herstellung einer Verbundplatte aus
faserverstärktem, thermoplastischem Harz.
Die Zugfestigkeit des hergestellten Materials ist abhängig von der Länge und der Orien
tierung der verstärkenden Fasern. Die Länge der verstärkenden Fasern kann je nach
Bedarf verändert werden. Es ist möglich, ein Verbundmaterial aus thermoplastischem
Harz mit Fasern unterschiedlicher Längen herzustellen.
Die vorgetränkten Streifen sind durch die faserverstärkten Kunststoffpellets mit langen
Fasern, wie sie in den taiwanesischen Patenten 44 724 und 57 397 offenbart sind, er
setzbar.
Außerdem sind die vorgetränkten Streifen durch Fasern ersetzbar. Zum Beispiel wird im
konventionellen Verfahren zur Herstellung einer Plattenformungszusammensetzung
(SMC) eine durch laufende Faser von einer Schermaschine in eine große Anzahl von
kurzen Fasern, die danach der horizontalen Siebplatte der Vibrationsmaschine zuge
führt werden, geschnitten. Die kurzen Fasern fallen auf eine Bodenschicht aus einer
Harzplatte durch die Schlitze der horizontalen Siebplatte. Danach wird die Bodenschicht
mit darauf abgelagerten kurzen Fasern mit einer Oberschicht aus einer Harzplatte ab
gedeckt und dann erwärmt und gepreßt, um die Plattenformungs-Zusammensetzung zu
bilden, die die orientierten Fasern enthält.
Wie es in Fig. 1 illustriert ist, enthält eine in einer ersten Ausführungsform der vorliegen
den Erfindung verwendete Vibrationsmaschine eine Plattform 10, eine horizontale
Siebplatte 20 und einen Vibrationsmotor 30. Die Siebplatte ist über der Plattform 10 an
geordnet, so daß ein Spalt von 3 mm zwischen der Siebplatte 20 und der Plattform 10
gebildet ist. Der Vibrationsmotor 30 ist unter der Plattform 10 angeordnet, wobei der Vi
brationsmotor 30 mit der Siebplatte 20 verbunden ist. Die Siebplatte 20 hat eine Länge
von 30 cm und eine Breite von 30 cm. Außerdem weist die Siebplatte 20 eine große
Anzahl von Längsschlitzen auf, die eine Breite von 2.5 mm haben. Die Längsschlitze
sind so angeordnet, daß zwei angrenzende Schlitze in einem Abstand von 3 mm ange
ordnet sind.
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält einen Prozeß zur Orien
tierung der Fasern. In dem Prozeß werden aus durchlaufendem Nylon 12/Glasfaser
band von Baycomp, Kanada produzierte Streifen verwendet. Das Band hat den Pro
duktencode ATGA-300-05265 und enthält 65 Gewichts-% Fasern. Das Band hat eine
Dicke von 0.5 mm und eine Breite von 30 mm. Das Band wird durch Schneiden in eine
große Anzahl von kleinen rechteckigen Stücken geschnitten, die eine Länge von 5 cm
und eine Breite kleiner als 1 mm haben.
Es werden jeweils 50 Stücke der kleinen rechteckigen Stücke auf der horizontalen
Siebplatte 20 der Vibrationsmaschine gleichmäßig abgelagert. Wenn der Motor 30 ge
startet wird, hat die verursachte Vibration eine Vibrationsfrequenz von 10 Hz. Als Resul
tat fallen über 90% der kleinen rechteckigen Stücke aufgrund der Vibration der
Siebplatte 20 auf die Plattform 10 in 60 Sekunden. Der Zustand der Orientierung der
kleinen Stücke auf der Plattform 10 wird durch eine Kamera aufgenommen. Der oben
genannte Prozeß wird 10 mal wiederholt, um 10 Orientierungsbilder in Folge zu erhal
ten. Die Orientierungsbilder sind auf ein Computer-Display übertragbar. Unter Verwen
dung der Japanischen "OPTIMAS" Software zur Abbildungsanalyse wird der Zustand der
500 orientierenden kleinen Stücke ausgerechnet, wie es in Tabelle 1 gezeigt ist. Die
Faserorientierung der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wurde als gut erachtet, da über 90% der rechteckigen kleinen Stücke, in einem Winkel
bereich von ±10° zur Längenachse orientiert sind.
Zur Vorbereitung eines Verbundmaterials aus thermoplastischem Harz mit unterbroche
nen langen Verstärkungsfasern wird eine Unterform 50 auf die Plattform 10 gestellt. Die
Unterform 50 ist mit einem Auslösefilm 40, der von Firma Airtech Corporation, USA her
gestellt ist, bedeckt. Danach werden 50 g der obengenannten rechteckigen kleinen
Stücke auf dem Auslösefilm 40 orientiert, bevor dieser und die Unterform 50 aus der
Vibrationsmaschine in horizontaler Richtung entnommen werden. Eine Oberform 60 ist
mit einem Auslösefilm 40' versehen, der an der Unterseite der Oberform 60 anhaftet.
Oberform 60 und Unterform 50 werden verbunden, so daß die rechteckigen kleinen
Stücke zwischen zwei Auslösefilmen 40 und 40' eingekeilt sind, wie es in Fig. 1a illu
striert ist, um ein Laminat-Produkt zu formen. Das Laminat-Produkt wird in einen von der
Firma Airtech Corporation, USA hergestellten Vakuumbeutel gehüllt, bevor das Laminat-
Produkt einem Heizvorgang und einem Preßvorgang unterzogen wird. Der Heizvorgang
wurde bei einem Vorheizen von 180°C in 15 Minuten ausgeführt. Der Druck nahm bis
500 psi (3.45 Mpa) in weiteren 15 Minuten zu, bevor die Formen 50 und 60 mit dem La
minat-Produkt entnommen wurden und dann in einer Kaltmatrize für 15 Minuten abge
kühlt wurden. Danach wird das Laminat-Produkt aus den Formen 50 und 60 entnom
men, bevor es zwischen einem Paar Rollen unter Hitze und Druck durchgeführt wird.
Nach Beendigung des Heiz- und Preßvorgangs, des Abkühlvorgangs, und des Rollvor
gangs für ein weiteres Mal ist ein von den orientierten und unterbrochenen langen Fasern
verstärktes, aus thermoplastischem Harz gebildetes Plattenprodukt hergestellt. Das so
hergestellte Produkt weist unterbrochene Fasern mit einer Länge von 5 cm auf. Das
Produkt hat eine Dicke von etwa 1.0 mm.
Bei einer zweiten Ausführungsform wurde die Wirkung der Vibrationsfrequenz auf die
Faserorientierung studiert. Die zweite Ausführungsform war ähnlich wie die obenge
nannte erste Ausführungsform bis auf die Vibrationsfrequenzen von 40, 30 und 20 Hz.
Die Resultate sind in der Tabelle 2 dargestellt. Die Faserorientierung sinkt von 91% auf
82%, wenn die Vibrationsfrequenz von 10 Hz auf 40 Hz zunimmt. Die Wirkung der Vi
brationsfrequenz auf die Faserorientierung ist deshalb unbedeutend.
Bei einer dritten Ausführungsform wird die Wirkung der Faserlänge auf die Faserorien
tierung studiert. Die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ähnlich zur
erster Ausführungsform, außer daß jetzt Fasern, mit Längen 4, 3 und 2 cm verwendet
werden. Die Resultate sind in der Tabelle 3 dargestellt. Es zeigt sich, daß die Faserori
entierung am schlechtesten bei einer Faserlänge von 2 cm ist. Mit anderen Worten wa
ren nur 58% der rechteckigen kleinen Stücke innerhalb des Winkelbereich von ±10 zur
Längenachse orientiert, wenn die verwendete Faserlänge 2 cm war. Die Wirkung ist da
her groß.
Bei der vierten Ausführungsform wurde die Wirkung der Breite der Schlitze der
Siebplatte auf die Faserorientierung untersucht. Die vierte Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung ist ähnlich wie die erste, außer daß jetzt eine horizontale Siebplatte
20 verwendet wird, die Schlitze mit einer Breite von 1.5 mm statt der 2.5 mm hat. Die Re
sultate sind in der Tabelle 4 dargestellt. Es ergibt sich, daß die Faserorientierung ver
bessert ist, wenn die Breite der Schlitze der Siebplatte 20 abnimmt. Mit anderen Worten
hat der Prozentsatz der rechteckigen kleinen Stücke, die innerhalb des Winkelbereichs
von ±10° zur Längenachse orientiert sind, zugenommen, wenn die Breite der Schlitze
der Siebplatte 20 von 2.5 mm von 1.5 mm reduziert wird. Die Wirkung der Breite der
Schlitze der Siebplatte 20 auf die Faserorientierung ist relativ bedeutsam.
Bei der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung war beabsichtigt, die Zug
festigkeit des Endprodukts, das mit den rechteckigen kleinen Stücke verstärkt ist, für
verschiedene Längen von 5 cm, 10 cm und 15 cm zu prüfen. Die Verfahren der ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden wiederholt, außer daß rechteckige
kleine Stücke der verschiedener Längen verwendet wurden. Die Zugfestigkeit der End
produkte sind nach dem Verfahren ASTM D 3039 gemessen. Die Untersuchungsresul
tate sind in den Tabelle 5 dargestellt.
Als sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde ein AS-4/PEEK vorge
tränktes und mit durchlaufenden Kohlenstoffasern verstärktes Material zur Herstellung
des Endplattenprodukts verwendet, das 60 Vol-% Kohlenstoffasern enthält und eine
Dicke von 0.125 mm hat. Das AS-4/PEEK vorgetränkte Material ist von der britischen
Firma I.C.I., hergestellt. Die sechste Ausführungsform ist grundsätzlichweise ähnlich wie
die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, außer daß die Faserorientierung
der sechsten Ausführungsform von einer Siebplatte 20 erreicht wird, die mit Schlitzen
einer Breite von 1.5 mm versehen ist, wobei die Vibration der Siebplatte einer Vibrations
frequenz von 10 Hz hat und weiter die Faserorientierung der sechsten Ausführungsform
bei Gebrauch rechteckiger kleiner Stücke mit Längen von 5 cm, 4 cm. 3 cm und 2 cm be
stimmt wurde. Die Resultate der Faserorientierung sind in der Tabelle 6 dargestellt.
Nach den Daten der Tabelle 6 sind 83% der eine Länge von 5 cm habenden Fasern in
nerhalb des Winkelbereichs von ±5° zu der Längenachse orientiert sind.
Entsprechend zur ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind verschiede
ne aus thermoplastischem Harz gebildete Plattenprodukte gemäß der sechsten Ausfüh
rungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt worden. Diese sind von den unterbro
chenen Fasern mit Längen von 5 cm, 4 cm, 3 cm und 2 cm verstärkt und wurden einem
Heizvorgang und Preßvorgang unterworfen mit Vorheizen bei 380°C für 20 Minuten
und Pressen unter einem Druck von 500 psi (3.45 Mpa) für 20 Minuten. Nach den Ver
fahren von ASTM D3039, D790 und D256 wurden Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und die
Izod-Kerbschlagfestigkeit der Plattenprodukte im Vergleich zu den Untersuchungsresul
taten der AS-4/PEEK Plattenprodukten geprüft, die 30 Gew.-% der eine Länge von
0.009 cm aufweisenden und verstärkenden kurzen Kohlenstoffasern enthalten. Die Re
sultate sind in Fig. 2, 3 und 4 gezeigt.
Die Ausführungsformen der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung sind in allen
Beziehungen nur illustrativ und nicht beschränkt anzusehen. Die vorliegende Erfindung
ist deshalb nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.
Claims (25)
1. Verfahren zur Herstellung einer Hit orientierten, unterbrochenen, langen Fasern
verstärken Verbundplatte aus thermoplastischem Harz mit den folgenden Schritten:
- a) Zuführung einer Vielzahl von im wesentlichen rechteckigen, vorgetränkten Streifen eines faserverstärkten, thermoplastischen Harzverbundmaterials zu einer horizon talen, vibrierenden Siebplatte, welche eine Vielzahl von Schlitzen aufweist, die parallel zueinander ausgerichtet sind und eine Länge, beziehungsweise Breite aufweisen, die größer als eine Länge der vorgetränkten Streifen, beziehungsweise eine Breite oder Dicke der vorgetränkten Streifen ist;
- b) Anordnen der vorgetränkten Streifen auf einer feststehenden Formplatte oder ei nem thermoplastisches Harz enthaltenen Plattenprodukt unterhalb der horizonta len Siebplatte, wobei die vorgetränkten Streifen durch die Vibration durch die Schlitze hindurchfallen und gleichmäßig auf eine Fläche der feststehenden Form platte oder des thermoplastisches Harz enthaltenen Plattenprodukts auffallen;
- c) Entfernen von vorgetränkten Streifen, Formplatte oder thermoplastisches Harz enthaltenes Plattenprodukt in horizontaler Richtung von unterhalb der horizontalen Siebplatte, und
- d) Erwärmen und Pressen der auf der Formplatte oder auf dem aus thermoplasti schem Harz gebildeten Plattenprodukt angeordneten, vorgetränkten Streifen zur Bildung einer durch die orientierten, unterbrochenen, langen Fasern verstärkten Verbundplatte aus thermoplastischem Harz.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der rechteckigen, vorgetränkten Streifen mit einer Länge von 1 bis 20 cm zu
geführt wird.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der rechteckigen, vorgetränkten Streifen mit einer Breite und einer Dicke von
jeweils 0,01 bis 0,2 cm zugeführt wird.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schlitze der Siebplatte eine Breite im Bereich von 1 bis 5 mm aufweisen.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die rechteckigen, vorgetränkten Streifen durch Schneiden einer vorgetränkten
Platte aus einem mit durchlaufenden Fasern verstärkten und aus thermoplastischem
Harz gebildeten Verbundmaterial mit im wesentlichen gleichen Abmessungen herge
stellt werden.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Streifen aus einem Verbundmaterial mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 cm hergestellt
werden.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das faserverstärkte und aus thermoplastischem Harz gebildete Verbundmaterial als
thermoplastisches Harz Polypropylen, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styren Copolymer,
Polycarbonat oder Poly (Äther Äther Keton) enthält.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das faserverstärkte aus thermoplastischem Harz gebildete Verbundmaterial als Fa
sern Glasfasern, Kohlenstoffasern, aromatische Polyamidfasern, Keramikfasern, Metall
fasern oder aus diesen gebildete Hybridfasern enthält.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das durch durchlaufende Fasern verstärkte und aus thermoplastischem Harz gebil
dete Verbundmaterial durch laufende Fasern in Form von einem Strang, einem Vorge
spinst, einem gewebten Vorgespinst, einem Gewebe oder einer Matte enthält.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der rechteckigen, vorgetränkten Streifen eine Länge von 1 bis 10 cm hat.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schlitze der horizontalen Siebplatte eine Breite von 2,5 bis 5 mm haben.
12. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vibrationsfrequenz der horizontalen Siebplatte 1 bis 50 Hz beträgt.
13. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vibrationsfrequenz 10 bis 30 Hz beträgt.
14. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vibration der horizontalen Siebplatte senkrecht zur horizontalen Fläche der
Siebplatte erfolgt.
15. Verfahren zur Herstellung einer mit orientierten, unterbrochenen, langen Fasern
verstärkten und aus thermoplastischem Harz gebildeten Verbundplatte mit den folgen
den Schritten:
- a) Zuführen einer Vielzahl von Fasern zu einer horizontalen, vibrierenden Siebplatte, welche eine große Anzahl von zueinander parallelen Schlitzen aufweist, deren Länge, beziehungsweise Breite größer als die Länge, beziehungsweise Breite oder Dicke der Fasern ist;
- b) Anordnen der Fasern auf einer feststehenden Unterschicht aus einem thermo plastisches Harz enthaltenen Plattenprodukt unterhalb der horizontalen Siebplatte, wobei die Fasern durch die Vibration durch die Schlitze hindurchfallen und gleich mäßig über eine Fläche der feststehenden Unterschicht verteilt werden;
- c) Entfernen der Unterschicht mit darauf abgelagerten Fasern in horizontaler Rich tung von unterhalb der horizontalen Siebplatte;
- d) Verbinden einer Oberschicht aus thermoplastisches Harz enthaltenem Verbund plattenprodukt mit der Unterschicht und den darauf abgelagerten Fasern, wobei die Fasern zwischen Ober- und Unterschicht eingekeilt sind, um ein Laminat- Produkt zu formen, und
- e) Erwärmen und Pressen des Laminat-Produkts unter Druck zur Herstellung eines von orientierten, unterbrochenen, langen Fasern verstärktem Plattenprodukt aus thermoplastischem Harz.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern eine Länge von 1 bis 20 cm aufweisen.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern eine Breite, beziehungsweise eine Dicke von 0,01 bis 0,2 cm aufweisen.
18. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 15 bis 17
dadurch gekennzeichnet,
daß jede der Fasern im wesentlichen gleiche Abmessungen aufweist.
19. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 15 bis 18
dadurch gekennzeichnet,
daß die Breite der Schlitze 1 bis 5 mm beträgt.
20. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterschicht und die Oberschicht als thermoplastisches Harz Polypropylen, Po
lyamid, Acrylnitril-Butadien-Styren Copolymer, Polycarbonat oder Poly (Äther Äther
Keton) verwenden.
21. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fasern, Glasfasern, Karbonfasern, aromatische Polyamidfasern, Keramikfasern,
Metallfasern oder aus diesen gebildete Hybridfasern sind.
22. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schlitze der horizontalen Siebplatte eine Breite von 2,5 bis 5 mm aufweisen.
23. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß die horizontale Siebplatte mit einer Vibrationsfrequenz von 1 bis 50 Hz vibriert.
24. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die horizontale Siebplatte mit einer Vibrationsfrequenz zwischen 10 und 30 Hz vi
briert.
25. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß die horizontale Siebplatte in einer Richtung senkrecht zur horizontalen Fläche der
horizontalen Siebplatte vibriert.
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