DE3014000C2 - Faserverstärktes, thermoplastisches Harzpräparat

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Description

Claims

DE3014000C2

Publication number: DE3014000C2
Application number: DE3014000A
Authority: DE
Inventors: Steven R. Gerteisen; David R. Evansville Ind. Wetzel
Original assignee: Dart Industries Inc
Current assignee: Dart Industries Inc
Priority date: 1979-04-16
Filing date: 1980-04-11
Publication date: 1982-12-09
Also published as: DE3014000A1; BE882633A; CA1149147A; GB2047253B; BR8002272A; IT1141276B; JPS5651186B2; IT8021387A0; GB2047253A; FR2454450A1; AR218577A1; US4388422A; JPS55139453A

Die Verwendung von Kunststoffgehäusen für elektronische Anlagen und Komponenten wird heute auf dem Gebiet der Automobilindustrie und elektronischer Anlagen weitgehend akzeptiert. Die derzeit verfügbaren Kunststoffmaterialien haben jedoch den Nachteil, für elektromagnetische Störungen (meist als EMI bezeichnet) durchlässig zu sein. Diese Störungen sind sehr nachteilig und haben zu immer schärferen Vorschriften zu deren Vermeidung geführt.

Zur Zeit erfolgt eine entsprechende Abschirmung durch Aufbringen metallischer Oberflächeniiberzüge auf den verformten Kunststoff. Dabei bedient man sich der Vakuumabscheidung, einer Auskleidung mit Metallfolie, metallgefüllter Sprühüberzüge, des Zink-Flammsprühens und elektrischer Bogenentladung. Jedes dieser Verfahren ist von einem oder mehreren Nachteilen bezüglich Kosten, Haftung, Kratzfestigkeit, Urriweltbeständigkeit, der zur Aufbringung notwendigen Zeitdauer und Schwierigkeiten beim angemessenen Schutz vieler unterschiedlicher geometrischer Formen, in welche der geformte Kunststoff gebracht werden muß, begleitet.

In jüngerer Zeit wurde versucht, das EMI Problem durch Formulierung von Kunststoffkompositmaterialien zu lösen, die auf der Verwendung verschiedener Füller in thermoplastischen Grundmassen beruhen. Keines der bisher entwickelten Kunststoffkompositprodukte hat sich jedoch als vollständig zufriedenstellend erwiesen.

Weiter wird festgestellt, daß die getrennte Zugabe von Glasfasern und Kohlenstoffasern zu harzartigen Materialien zwecks Verbesserung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften auf dem Gebiet der verstärkten Kunststoffmaterialien bekannt ist. Glasfasern sind auch in den für elektrische Zwecke verwendeten Präparaten, z. B. als isolierende Emails für elektrische Leiter, eingesetzt worden. Die Verwendung b5 der Glasfasern für diese Zwecke erfolgte jedoch zwecks Verleihung physikalischer Eigenschaften, wie Beständigkeit gegen Kunststofffluß und zur Verhütung eines

Abrir-bs des Emails.

Durch die vorliegende Erfindung sollen die bekannten Nachteile behoben werden. Die erfindungsgemäßen faserverstärkten Harze eignen sich ausgezeichnet für Abschirmzwecke in vielen verschiedenen Endprodukten, wie Radios, Transmittoren, Computer usw.

Der Gegenstand der Anmeldung wird durch die obigen Ansprüche definiert

Das Kompositprodukt aus dem thermoplastischen Harz und den Glas- und Kohlenstoffasern kann nach üblichen bekannten Verfahren hergestellt werden. Die vorteilhaftesten Eigenschaften werden jedoch erzielt, wenn man, wie festgestellt wurde, diese Komposite nach dem Verfahren der US-PS 28 77 501 herstellt.

Im Kompositprodukt sind die Fasern in der Harzmatrix miteinander vermischt, und das erhaltene Präparat wird nach den auf diesem Gebiet üblichen Verfahren verformt. Vorzugsweise werden jedoch die Endprodukte durch Spritzgußverformung hergestellt, wobei dieses Verfahren optimale Ergebnisse liefert.

Die faserverstärkten Komponenten werden zweckmäßig nach dem sogenannten »Langglas«-Verfahren hergestellt, wobei die erhaltenen Produkte in der Technik als sogenannte »Langfaser«-Produkte bezeichnet werden. Bei diesen »Langfaserw-Produkten liegt die Länge des größten Teils der Fasern gewöhnlich erheblich über dem Bereich der durchschnittlichen Fasernlänge in den sog. »Kurzfaser«-Produkten. Dieser Bereich liegt gewöhnlich zwischen etwa 0,25 mm bis etwa 0,75 mm und umfaßt gewöhnlich die Gesamtlänge der Stücke selbst. Bei diesem Verfahren werden gewöhnlich kontinuierliche Filamentlängen verwendet und durch ein das geschmolzene Harz enthaltendes Bad geleitet, wodurch die Fasern mit der gewünschten Harzmenge imprägniert werden. Nach Imprägnierung der kontinuierlichen Filaments werden sie kontinuierlich aus dem Bad abgezogen, untereinander gemischt, bevor oder nachdem sie eine Wärmequelle passieren, und abgekühlt, um das geschmolzene Harz um die verwirrten Filaments aus Kohlenstoffaserrovings und metallisierten Glasfaserrovings zu verfestigen, worauf sie in Querrichtung zur Bildung kurzer Stücke zerschnitten werden. Diese Stücke sind den Stücken der oben beschriebenen »Kurzfaser«-Produkte ähnlich, indem sich die Fasern praktisch parallel zueinander und praktisch parallel zur Achse erstrecken, die durch die Richtung definiert wird, in welcher die Materialien aus dem Bad abgezogen werden. Im Gegensatz zu den »Kurzfaser«-Produkten erstrecken sich die Fasern der »Langfaser«-Produkte jedoch praktisch über den gesamten Abstand von einer abgeschnittenen Seite des Stückes zur anderen. Die Stücke des »Langfaser«-Produktes können eine Länge zwischen etwa 1,6 mm bis etwa 38 mm, vorzugsweise etwa 3,2 bis 25 mm, haben. Ein allgemeines Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen wird in der US-PS 30 42 570 beschrieben.

Statt der Verwendung eines Bades aus geschmolzenem Harz im obigen Verfahren können die Filaments selbstverständlich auch mit einer Harzsuspension oder -emulsion imprägniert und anschließend einer zum Trocknen und Schmelzen des Harzes um die gemischten Filaments ausreichenden Wärme unterworfen werden; dieses Verfahren ist z. B. in der US-PS 28 77 501 beschrieben.

Die Filaments aus Kohlenstoffaserrovings und metallisierten Glasfaserrovings können vor oder nach dem Durchgang durch das geschmolzene Harzbad oder die

Harzsuspension gemischt oder verwirrt werden. Es wird jedoch bevorzugt, die getrennten Fasern durch ein gemeinsames Harzreservoir zu leiten und die getrennten, überzogenen Stränge vor oder nach dem Durchgang durch eine Wärmequelle anschließend zu mischen.

Neben einer ausgezeichneten elektromagnetischen Abschirmwirkung verleiht die Kombination aus Kohlenstoffaserrovings und metallisierten Glasfaserrovings dem Material selbst auch verbesserte Verarbeitungseigenschaften. Bei der Verarbeitung einer Abschirmverbindung aus einem Polycarbonatharz und metallisierten Glasfaserrovings nach dem »Langfaser«-Verfahren können bei der Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Verfahrens gewisse Schwierigkeiten auftreten. Die Schmelzviskosität des Polycarbonatharzes an dem Punkt, wo die metallisierten Glasfaserrovings eingeführt werden, kann eine ausreichende Spannung ausüben, um den Strang zu zerreißen, wodurch das kontinuierliche Oberzugsverfahren unterbrochen wird.

Bei der Verarbeitung der Kombination aus metallisierten Glas- und Kohlenstoffasersträngen nach der vorliegenden Erfindung kann man trotz der hohen Schmelzviskosität des Polycarbonatharzes ein kontinuierliches Verfahren aufrechterhalten. Wenn mit dem metallisierten Glasfaserroving ein Strang aus Kohlenstoffaserroving anwesend ist, kann trotz eines gelegentlichen Reißens der metallisierten Glasfasern ein kontinuierliches Überzugsverfahren aufrechterhalten werden. Der nicht gerissene Kohlefaserstrang hält das Überzugsverfahren in Gang und erlaubt die physikalisehe, erneute Kombination der metallisierten Glasfaserrovings zurück in den Überzugsvorgang, und zwar in relativ kurzer Zeit, wodurch die bisherigen Schwierigkeiten durch Reißen des metallisierten Glasfaserrovings überwunden werden. »

In Abwesenheit der Kohlenstoffaserrovings ist bei einem Reißen ein zeitraubendes erneutes Einleiten der metallisierten Glasfaserrovings durch das Harzbad notwendig. Die Wirkung der Anwesenheit von Kohlenstoffaserrovings während der Verarbeitung mit anderen Polymeren, die höhere oder niedrigere Schmelzviskosiläten als Polycarbonatharz haben, variiert mit der Schmelzflußviskosität

In beiden, d. h. den »Kurzfaser«- und »Langfaser«- Produkten kann die Querschnittsdimension in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren erheblich variieren. Bei den durch Strangpressen von Strängen gebildeten »Kurzfaser«-Produkten hängt die Querschnittsdimension von der Größe der Strangpreßöffnung ab. Bei den durch Imprägnieren kontinuierlicher Filamentlängen gebildeten »Langfaser«-Produkten hängt die Querschnittsdimension ab von der Gesamtzahl der imprägnierten und gesammelten Filaments und der Harzmenge. Selbstverständlich gibt es bestimmte praktische Grenzen für die Querschnittsdimensionen der Stücke aufgrund von Verarbeitungsbegrenzungen. Allgemein wurde es als besonders zweckmäßig gefunden, Stücke mit einer nominellen Querschnittsdimension zwischen etwa 1,6 bis etwa 6,4 mm zu bilden.

Längliche Granulate, die vermischte metallisierte bo Glasfasern und Kohlenstoffasern in einer Thermoplastischen Harzmatrix enthalten, werden nach den bereits beschriebenen Verfahren hergestellt. Nach Herstellung der länglichen Granulate aus metallisierten Glas- und Kohlenstoffasern im thermoplastischen Harz z. B. jeweils in Polycarbonatharz, wird das erhaltene Komposit nach bekannten Verfahren verformt. Die Homogenisierung erfolgt in der Verformungsstufe.

Die Verhältnisse der Komponenten in der Endmischung kann bezüglich Gesamtfaserverstärkung zu Harz zwischen etwa 10 bis etwa 45%, vorzugsweise etwa 15 bis etwa 35%, variiert werden. Innerhalb dieses Bereiches hängt das optimale Verhältnis vom Endverwendungszweck oder dem besonderen, gewünschten Ziel ab. In manchen Fällen wurde für optimale Ergebnisse ein Verhältnis von Faser zu Harz von 1 bis 4 als besonders zweckmäßig gefunden.

Das Verhältnis von metallisierten Glasfasern zu Kohlenstoffasern innerhalb der Faserverstärkungskomponente kann zwischen etwa 20 bis etwa 80%, vorzugsweise zwischen etwa 50 zu 80%, liegen. Für optimale Ergebnisse hat sich ein Verhältnis von 3 Teilen metallisierter Glasfaser zu etwa 1 Teil Kohlenstoffaser als besonders wirksam erwiesen.

Selbstverständlich kann üian in das Präparat übliche Glasfasern, wie z. B. »E«-Glasfasern, als Streckmittel einverleiben. Weiter können auch andere übliche Füller, Pigmente usw, mitverwendet werden.

Man kann auch längliche Granulate getrennt herstellen, die metallisierte Glasfasern und Kohlenstoffasern in der thermoplastischen Matrix enthalten, wobei man eines der oben beschriebenen Verfahren anwendet. Nach der Herstellung der länglichen Granulate aus metallisierten Glasfasern im thermoplastischen Harz und Kohlenstoffasern im thermoplastischen Harz, z. B. jeweils in Polycarbonatharz, kann man eine physikalische Mischung dieser beiden Arten faserverstärkter Kunststoffmaterialien herstellen und die erhaltene Mischung dann nach bekannten Verfahren verformen. Zur Herstellung der Mischung sind keine besonderen Bedingungen notwendig, wobei ein einfaches physikalisches Mischen ausreicht. Die Homogenisierung der Mischung erfolgt in der Verformungsstufe.

Die erfindung'jgemäß verwendeten Verstärkungsfasern sind metallisierte Glasfasern und Kohlenstoffasern. Diese Fasern sind im Handel als Rovings und in geschnittene.■ Form verfügbar. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, sowohl die metallisierten Glasfasern als auch die Kohlenstoffasern in Form von Rovings zu verwenden.

Zur Herstellung der verstärkten Harzkomponente können allgemein thermoplastische Harze verwendet werden; dazu gehören Polyolefine, insbesondere Polypropylen und Mischpolymere aus Äthylen und Propylen; Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Polymere, ABS-Polymere (Polymere auf Basis von Acrylnitril-Polybutadien-Styrol); Nylons, insbesondere Nylon 6,6; Polyphenylenoxide, Polyphenylenoxid-Polystyrol-Mischungen; Polyphenylensulfide; Polyacetale; Pollysulfone; Polycarbonate; Polyurethane; Celluloseester; Polyester, wie Polyethylenterephthalat; Polymonochlorstyrol; Acrylpolymere; Polyvinylchloride; Polyvinylidenchloride; Mischpolymere aus Vinylchlorid und Vinylidenchlorid; verschiedene thermoplastische Elastomere, wie solche auf Basis von Styrol und Butadien oder Äthylen oder Propylen; und Mischungen der oben genannten Harze.

Bei der Verarbeitung des erfindungsgemaßeri Kompositmaterials wird die Mischung in üblicher Weise in den Beschickungstrichter der Spritzgußverfonnungsanlage eingeführt und dann in üblicher Weise bei einer Temperatur durch die Anlage verarbeitet, die das Harz schmilzt und flieDbar macht.

In der US-PS 28 77 501 und 30 42 570 wird die Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffen

beschrieben. Aus der FR-PS 23 90 463 sind plastische Formkörper bekannt, die metallisierte Glasfaden enthalten, und aus der FR-PS 14 30 803 Kunststoffe, die mit Kohlenstoffasern verstärkt worden sind. Die Herstellung von Kunststoffen, die sowohl mit metallisierten Glasfäden wie auch mit Kohlenstoff-Fäden verstärkt sind, war noch nicht bekannt und es konnte nicht vorausgesehen werden, daß durch die gleichzeitige Verwendung der beiden Fadenarten eine wesentliche Verbesserung bezüglich der auftretenden elektromagnetischen Störungen (EMI) erreicht werden kann (siehe dazu die in den folgenden Beispielen angegebenen Vergleichsversuche).

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung. '

Beispiel 1

Längliche Granulate mit 25% Gehalt an aluminisierten Glaslegierungsfaserrovings in Polycarbonatharz wurden mit länglichen Granulaten mit 21% Gehalt an Kohlenstoffaserrovings in Pr>lycarbonatharz unter Verwendung eines Mischungsverhältnisses vom 75 Teilen aluminisiertem Glasiprodukt zu 25 Teilen Kohlenstofffaserprodukt gemischt Die erhaltene Mischung enthielt etwa 5,25% Kohlenstoffasern und etwa 13,75% aluminisierte Glasfasern.

Das obige gemischte Präparat wurde in eine Schneckenspritzgußverformungsmaschine eingeführt und in dieser bei Temperaturen zwischen 260 bis 305⁰C zu einem Formprodukt mit angenehmer Einheitlichkeit des Aussehens und guten physikalischen Eigenschaften verarbeitet.

Vergleichsweise wurden längliche Granulate mit 25% Gehalt an mit einer Aluminiumlegierung überzogenen Glasfaserrovings in Polycarbonatharz unter identischen Bedingungen verarbeitet, und das erhaltene verformte Produkt wurde gegen das Produkt getestet, das die Kombination aus aluminisierten Glas- und Kohlenstoffasern enthielt Die Ergebnisse dieses Tests der EMI-Abschwächung sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt:

A = aluminisierte Glasfasern allein.

B = Kombination aluminisierte Glas/KohlenstofTasern.

Beispiel 2

Es wurden Präparate hergestellt, die 1) 5% Kohlenstoffasern, 2) 15% aluminisierte Glasfasern und 3) eine Kombination aus 5% Kohlenstoffasern und 15%

40 aluminisierten Glasfasern, jeweils in einer Matrix aus Polycarbonatharz, enthielten.

Die Präparate wurden nach dem Verfahren von Beispiel 1 spritzgußverformt und die erhaltenen Produkte auf EM I-Abschwächung getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt

Tabelle 2

Probe

100 Mhz

Abschwächung (dB)

Mhz 1000 Mhz

2000 Mhz

(D
(2)
(3) (Erfindung)

10

14

10
15

Während in den obigen Beispielen Kohlenstoffasern aus der Pyrolyse organischer Fasern, wie Rayon oder Polyacrylnitril und aluminisierte Legierungsglasfasern und aluminisierte Glasfasern verwendet werden, können Kohlenstoffasern aus einem Pechvorläufer und metallisierte Glasfasern, in denen ein anderes Metall als Aluminium, z. B. Nickel, Zink oder Chrom, vorliegt, anstelle der oben genannten Materialien verwendet werden.

60

Frequenzbereich
12 20

A
B (Erfindung)

Patentansprüche:

1. Faserverstärkte thermoplastische Harze auf Basis eines thermoplastischen Harzes und darin => einverleibten, gemischten Fasern aus metallisierten Glasfasern und Kohtenstoffasern.

2. Harz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es etwa 10 bis etwa 45 Gew.-%, vorzugsweise etwa 55 bis etwa 35 Gew.-%, Fasern, bezogen auf ι ο das Gewicht des Harzes, enthält.

3. Harz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Glasfasern in einem Verhältnis von etwa 20 bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 50 bis etwa 70 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Kohlenstoffasern, anwesend sind.

4. Harz nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Glasfasern aluminisierte Glasfasern sind.

5. Verwendung der faserverstärkten Harze nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Formkörpern.

6. Verwendung nach Anspruch 5 zur Herstellung von Formkörpem nach dem Spritzgußverfahren.

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