DE2804737A1 - Verfahren zum armieren von kunststoffen bei der extrusion durch mit reaktiven haftvermittlern getraenkte faserstraenge - Google Patents

Description

• Beschreibung der Erfindung zur Patentanmeldung
• Titel : n VERFAHREN ZUM ARMIEREN VON KUNSTSTOFFEN BEI DER EXTRUSION DURCH MIT REAKTIVEN HAFTVERMITTLERN GETRÄNKTE FASERSTRÄNGE Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Armieren von Kunststoffen bei der Extrusion durch mit reaktiven Haftvermittlern getränkte Faserstränge dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler zwischen Fasern und Extrudat die Faserstränge aufgrund seiner geringen Viskosität zu tränken vermag. Der Haftvermittler geht im Verlauf der Fertigung über das Extrusionswerkzeug infolge einer Polyreaktion in festen Zustand über und vermittelt feste Haftung zwischen Verstärkungsstoff und Extrudat.
• Dieses Verfahren gestattet, kontinuierlich hergestellte Kunststoffprofile und -folien nahezu beliebiger Querschnittsgeometrie an bestimmten Stellen längs der Extrusionsrichtung mit Verstärkungsstoffen zu armieren. Die damit eingebrachte Verstärkungswirkung führt je nach Art und Menge des Verstärkungsstoffes zu erheblicher Steigerung der Steifigkeit gegenüber Biegbeanspruchung sowie Erhöhung der Zug- und Druckbelastbarkeit der Produkte.
• Da beim Fügevorgang im Extrusionswerkzeug Verbund entsteht, können Plastomere, Elastomere und Duromere zu armierten Produkten verarbeitet werden.
• Aus der GFK- und KFK-Technik, insbesondere der Verarbeitungstechnik, bei der Glasfaserrovings, -matten und -gewebe zu Laminaten verarbeitet werden, ist bekannt, daß die dabei eingesetzten Kunstharze nicht zuletzt aufgrund der geringen Verarbeitungsviskosität, die entsprechend mit Haftvermittlern vorbereiteten Verstärkungsstoffe benetzen. Ferner können Stränge, Matten und Gewebe mit diesen Harzen getränkt werden, so daß im späteren Produkt kaum noch Lufteinschlüsse in den Matten vorliegen.
• Anders verhalten sich thermoplastische Schmelzen. Sie liegen selbst unter üblichen Extrusions- und Spritzgießdrücken relativ hochviskos vor, so daß sie zwar in der Lage sind, ein Faserbündel zu benetzen, das Bündel jedoch nur unter extremen Bedingungen so zu durchdringen, als daß Durchtränkung gewährleistet ist.
• Dabei kann zwischen Matrixwerkstoff (Kunststoff) und Verstärkungsstoff nicht überall mit festem Verbund gerechnet werden.
• Unter Anwendung des Preßdrucks ist es E 1 2 (Anm.: Literatur am Ende der Beschreibung) gelungen, glasfasermattenverstärkte Plastomere herzustellen, die als Halbzeug zu Formteilen weiterverarbeitet werden können.
• Bei der Tränkung einer Glasfasermatte ist der Verarbeiter stets mit der Tatsache konfrontiert, daß die Schmelzefronten nach dem Umfließen der Glasfasern beim Zusammenfließen die Kohäsionsfestigkeit, die Eigenfestigkeit des Plastomeren nicht erreichen. Selbst bei der Koextrusion, wo etwa Schmelzeströme ein-und desgleichen Kunststoffes über einen längeren Bereich der Extrusionsdüse in Berührung stehen, verfließen in der Grenzfläche nicht so gut, als daß die Verbundfestigkeit Kohäsionsfestigkeiten erreicht. Hier, mehr noch aber bei der Koextrusion verschiedener Werkstoffe, hilft man sich durch die Verwendung von Jonomeren als haftvermittelnde Zwischenschicht.
• Aus früheren Arbeiten des Erfinders 2,3 2 ist bekannt, daß sich reaktive Polymere und thermoplastische Schmelzen durch Fügeurformen mit Polyreaktion" etwa im Spritzgieß- oder Extrusionsprozeß unter Druck zu flächenhaften Verbundteilen in einem Werkzeug und einem Arbeitsgang fügen lassen. Danach entsteht zwischen dem jeweiligen reaktiven Stoffsystem (z.B. ungesättigter Polyester) und verschiedenen Plastomeren fester Verbund.
• Während die Verstärkung von Plastomeren mit Kurz fasern unter 0,5 mm Länge ebenso wie die damit verbundenen Schwierigkeiten der Haftvermittlung relativ gut gelöst ist, sind auf dem Gebiet der Verstärkung von Plastomeren mit langen bis zu Endlosfasern lediglich einige Ansätze gemacht worden. Problematisch ist weiterhin das Tränken eines Stranges aus üblicherweise sehr dünnen Fasern mit thermoplastischer Schmelze.
• Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Produkte, die üblicherweise extrudiert werden, an konkret von den Erfordernissen der Anwendung bestimmten Stellen derart zu armieren, d.h. zu verstärken, als daß im Verstärkungsstrang zwischen Matrixstoff und Verstärkungsfasern ebenso fester Verbund zustandekommt, wie zwischen den Verstärkungsfasern und der Kunststoffschmelze bzw. Extrudat.
• Die Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß der mit einem reaktiven oder niedermolekularen polymeren Haftvermittler getränkte Armierungsstoff mit der zu extrudierenden Kunststoffschmelze im Extrusionswerkzeug zu festem Verbund zwischen Fasern und Extrudat gefügt wird. Der Verbund bleibt auch im Zuge nachfolgender Kühlung des Produkts erhalten.
• Als Haftvermittler kommen in Abhängigkeit von den zu extrudierenden Kunststoffen reaktive Phasen auf der Basis von Phenolharz, Epoxidharz, Ungesättigtem Polyester und dgl. zur Anwendung. Um den Dampfdruck entstehender Abspaltprodukte oder niedermolekularer Bestandteile zu höheren Temperaturen zu verschieben, und um Hohlraumbildung zu vermeiden, wird der Fügevorgang unter dem Extrusionsdruck der Schmelze durchgeführt.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß etwa extrudierte Rohre, Profile, Folien und Bänder an jenen Stellen mit Verstärkungsstoffen armiert werden können, an denen im konkreten Anwendungsfall die höchsten Belastungen auftreten. Wesentliche Voraussetzung dafür bietet die Tatsache, daß hier Verstärkung und Extrudat in festem Verbund miteinander vorliegen.
• Ein wirtschaftlicher Vergleich eines verstärkten und unverstärkten Produkts fällt zugunsten der Verstärkung aus. Die Relation Zugfestigkeit zu Dichte bei der Paarung Polypropylen/UP-gebundener Glasroving zu reinem PP ist etwa 30 : 1. Die Materialkosten verhalten sich wie etwa 1,1 : 1, wenn von gleichbleibenden Profilquerschnittsflächen ausgegangen wird.
• In Hinblick auf die Verarbeitung bieten sich Vorteile hinsichtlich verbesserter Beherrschung der Profile bei der Extrusion an. Die Formgebung im Werkzeug bei herkömmlicher Extrusion ist bestimmt vom Werkzeugwiderstand und der sich daraus ergebenden Konsequenz für die Verfahrenstechnik im Extruder, insbesondere was die Druckverhältnisse anbelangt.
• Mit vorliegender Erfindung kann der Extrusionsvorgang dadurch erleichtert werden, daß über die Verstärkungsstränge auf das Extrudat bereits im Werkzeug Zug ausgeübt werden kann. Der Vorgang wird vom Verbund zwischen Plastomer und Verstärkungsstrang begünstigt. Dies kann zu höherem Ausstoß und damit zu höherer Wirtschaftlichkeit führen.
• Der bei der Kabelummantelung beobachtete Effekt, wonach sich der metallische Leiter vor dem Erstarren des Plastomeren durch Schwerkraft aus der Kabelmitte verlagert, tritt hier desto weniger in Erscheinung, je geringer die Dichteunterschiede zwischen Verstärkungsstoff und Plastomer sind (Kupfer : PE wie 9 : 1, GFK : PE wie 2,4 : 1 Ausführungsbeispiel Hergestellt wird ein Vierkantrohr mit den Maßen 30 x 30 x 3 mm und mit 4 x 4 Glasrovings versteift.
• Maschinen und Geräte Für die Plastomerextrusion wird eine handelsübliche Extrusionsanlage für ein Produkt aus Polystyrol-Copolymeren verwendet. Das Werkzeug ist Teil eines duerspitzkopfes. Die Nachfolgeeinrichtungen wie Kalibrier-, Kühl- und Ablängvorrichtungen sind analog der Verarbeitung ohne Verstärkungsstoff ausgebildet.
• Zur Verarbeitung des Verstärkungsstoffes werden Rovings einer Abwickelstation entnommen. Die Glasstränge gelangen getrennt in eine Tränkwanne mit dem Haftvermittler und von dort über eine Hochfrequenz-Vorwärmstrecke in das Extrusionswerkzeug. Die Verstärkungsstränge (getränkte Rovings) werden im Werkzeug einzeln geführt und an diskreten Stellen des Extrusionsprofils in die Schmelze geleitet. Hier findet unter Zuführung zusätzlicher Wärme der Fügevorgang statt. Die im Reaktionssystem auftretende Schwindung wird durch unter Druck nachfließende Plastomerschmelze kompensiert. Ferner verhindert die Gegenwart des Extrusionsdruckes etwaige Bildung von Gasblasen. Er begünstigt auch übliche Vorgänge zur Selbstkompensation der Schwindung bei einigen Reaktions-Haftvermittlern.
• Materialien Plastomer : Polystyrol 482 G BASF AG Haftvermittlungssystem (Gewichtsteile GT) 100 GT Ungesättigtes Polyesterharz Vestopal X 2407 Hüls AG 1 GT Härter Trigonox 21 S Akzo Chemie 1 GT Cobaltbeschleuniger (1 %ig) BASF AG Verstärkungsfasern : Glasfaserroving Vetrotex EC 10-2400-K931 -Gevetex Textil-Glas GmbH (40) Literatur 1. Ehrenstein, G.W. u.a. Glasfaserverstärkte Thermoplaste, Vortrag anläßlich der 13. öffentlichen Jahrestagung der AVK 1976 in Freudenstadt 2. Käufer, H. und Wachsmann, M.-A.
• Fügeurformen mit Polyreaktion (FUP) Ein Verfahren zur Herstellung flächenhafter Plastomer-Duromer-Verbundteile Plastverarbeiter H 1 1978 S. 15 - 22 3. Käufer, H. und Wachsmann, M.-A.
• Verfahren zur Direktherstellung von Verbundwerkstoffen aus Kunststoff Patentanmeldung Nr. P2616309.7 München 1976

Claims (12)

1. Patentansprüche zur Anmeldung mit dem Titel VERFAHREN ZUM ARMIEREN VON KUNSTSTOFFEN BEI DER EXTRUSION DURCH MIT REAKTIVEN HAFTVERMITTLERN GETR0NKTE FASERSTRÄNGE Hauptanspruch: Verfahren zum Armieren von Kunststoffen bei der Extrusion durch mit reaktiven Haftvermittlern getränkte Faserstränge dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler zwischen Fasern und Extrudat die Faserstränge aufgrund seiner geringen Viskosität zu tränken vermag. Der Haftvermittler geht im Verlauf der Fertigung über das Extrusionswerkzeug infolge einer Polyreaktion in festen Zustand über und vermittelt feste Haftung zwischen Verstärkungsstoff und Extrudat.
2. Unteransprüche: 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsstrang allseitig vom Extrudat umschlossen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Fügevorgang unter Extrusionsdruck des schmelzflüssigen Plastomeren, Elastomeren oder Duromeren erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsstoff als Roving sowie als vorkonfektioniertes getränktes oder ungetränktes Band, Netz, Schlauch oder dergleichen zur Anwendung kommt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsstoff als Teil mit endlicher Länge oder endlos etwa von der Spule oder dergleichen zugeführt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudat zum Zeitpunkt des Fügens als thermoplastische Schmelze vorliegt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fügepartner getrennt hergestellt und im Extrusionswerkzeug gefügt werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Haftvermittler kurz vor dem Fügevorgang als niedermolekulares Polymer durch einen zweiten Extrusionsprozeß auf den Verstärkungsstrang gebracht wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsstoff in Tandem-Verfahrensweise in ein und demselben Werkzeug mit Haftvermittler versehen wird, in dem unmittelbar danach der Fügevorgang erfolgt.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion des Haftvermittlers vor dem Fügevorgang d.h. bereits außerhalb des Fiigewerkzeugs gestartet oder durch Ablauf geeigneter Vorgänge auf den Fügevorgang vorbereitet wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Polyreaktion durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Hochfrequenz oder auf chemische Weise gestartet wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsstrang, der auf einer Vorbehandlungsstrecke mit Haftvermittler versehen und einer vollständigen Aushärtung unterzogen wurde, nochmals mit dem gleichen Haftvermittler benetzt und über das Fügewerkzeug mit der Schmelze vereinigt wird.