DE3586777T2 - Faserverstaerkte geformte kunststoffgegenstaende. - Google Patents

Faserverstaerkte geformte kunststoffgegenstaende.

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DE3586777T2 DE8585300033T DE3586777T DE3586777T2 DE 3586777 T2 DE3586777 T2 DE 3586777T2 DE 8585300033 T DE8585300033 T DE 8585300033T DE 3586777 T DE3586777 T DE 3586777T DE 3586777 T2 DE3586777 T2 DE 3586777T2
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen von Gegenständen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial.
  • Bei solchen Verfahren wurden faserverstärkte Kunststoffgegenstände aus verfestigten steifen Materialbahnen geformt, wobei diese Materialbahnen Glasfasermatten aus sehr langen Glasfaserlitzen (z. B. Faserbündel) mit einer Länge von etwa 200 cm oder mehr, die sich ungeordnet und schlangenförmig durch die Materialbahn erstrecken, beinhalten.
  • Um solche Materialbahnen zufriedenstellend verformen zu können, müssen diese homogen vorgeheizt werden. Dies erfordert sowohl Zeit als auch eine genaue Temperaturkontrolle, da eine Überhitzung und Zersetzung der Oberflächen der Materialbahn nicht stattfinden darf, während die inneren Teile der Materialbahnen auf die notwendige Verformungstemperatur gebracht werden. Solche Materialien sind daher der Tiefziehverformung nur schwer zugänglich.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Gegenstands aus einer Faserstofflage faserverstärkten synthetischen Kunststoffmaterials mit 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% einzelner, diskreter Fasern, deren Elastizitätsmodul größer als 10000 Megapascal und deren Länge zwischen 7 und 50 mm ist und mit 40 Gew.-% bis 80 Gew.-% unverfestigtem partikelförmigem thermoplastischem Material mit einer Partikelgröße unter etwa 1.5 mm, beinhaltend mehrere Schritte, und zwar zunächst das Aufheizen der Faserstofflage zur Entfernung von Restfeuchtigkeit daraus und dann, zur Verbindung der Faser- und Kunststoffkomponenten miteinander zu einer selbsttragenden durchlässigen Materialbahn bei im wesentlicher Erhaltung der Partikelform des Kunststoffmaterials, die Durchführung heißer Luft durch die Materialbahn in einem Durchluftofen zur im wesentlichen gleichmäßigen und homogenen Erhitzung ihrer Komponenten auf eine Temperatur, bei der die Viskosität des die Partikelkomponente bildenden Thermoplasten gering genug ist, um die Materialbahn zu einem geformten Gegenstand zu verformen; das Einsetzen dieser erhitzten durchlässigen Materialbahn in eine Preßform; und die Durchführung einer Preßverformung bei dieser Materialbahn bei festgelegtem Druck zur Bildung eines geformten faserverstärkten Kunststoffgegenstands.
  • Nach der Durchluftheizung kann die Struktur auf einfache Weise in einen undurchlässigen Gegenstand geformt werden. Alternativ hierzu kann der Druck in der Form begrenzt werden, so daß der Gegenstand durchlässig bleibt. Er kann auch in der Form vollständig komprimiert werden, wobei das geschmolzene Thermoplastmaterial die Fasern benetzt. Die Form wird dann leicht geöffnet, damit das Material unter der Federwirkung der Fasern expandieren kann und durchlässig wird, wie es in der europäischen Patentanmeldung Nr. 85 300 034.7 (Veröffentlichungsnummer 0 148 763) beschrieben und beansprucht ist.
  • Wenn Glasfasern in der Form gehackter Litzenbündel erhalten und verwendet werden, sind die Bündel vor der Bildung der Struktur in einzelne Fasern zu zerbrechen.
  • Unter dem hohen Elastizitätsmodul ist ein Elastizitätsmodul zu verstehen, der wesentlich größer ist als der einer verfestigten Materialbahn, welche aus der Struktur gebildet werden kann. Fasern, welche in diese Kategorie fallen, beinhalten Glas-, Kohle und Keramikfasern und Aramidfasern, welche unter den Handelsnamen Kevlar und Nomex vertrieben werden und außerdem alle Fasern mit einem Modul von über 10000 Megapascal.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur, wie sie oben beschrieben ist, ist Gegenstand der europäischen Patentanmeldung Nr. 85 300 031.3 (Veröffentlichungsnummer 0 148 760).
  • Bei einem geeigneten erfindungsgemäßen Verfahren wird die Materialbahn in einem Ofen erhitzt, wobei sich die Materialbahn zwischen offenen Trägern befindet, durch welche heiße Luft geleitet wird.
  • Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
  • Fig. 1 einen Querschnitt durch eine offene durchlässige Struktur, wie sie als Ausgangsmaterial für die vorliegende Erfindung geeignet ist,
  • Fig. 2 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht durch einen Durchluftofen zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren, und
  • Fig. 3 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht durch eine Form mit einem Formteil, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
  • In Fig. 1 ist eine unverdichtete faserhaltige Struktur 1 mit Fasern 2 und partikelförmigem Kunststoffmaterial 3 dargestellt, wobei Fasern und Kunststoffpartikel aneinander gebunden sind und eine kohärente, jedoch durchlässige Struktur bilden.
  • In Fig. 2 ist ein Ofen zur Erhitzung einer durchlässigen Struktur 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, gezeigt. Der Ofen besteht aus einem Oberteil 4 und einem Unterteil 5, wobei die Teile 4 und 5 Plenumkammern 6 bzw. 7 beinhalten. Die untere Wandung 8 des Teils 4 und die obere Wandung 9 des Teils 5 sind grillartig ausgebildet, wodurch ein im wesentlichen unbehinderter Luftdurchlaß ermöglicht wird.
  • Zur Erhitzung der Struktur 1 wird heiße Luft in die Plenumkammer 7 geleitet, durchläuft dann den Grill 9, die Struktur 1 und den Grill 8 und wird schließlich durch den Auslaß 11 aus der Plenumkammer 6 entfernt.
  • Nach der beschriebenen Erhitzung auf beispielsweise 200ºC wird die Struktur 1 in eine Form gebracht, welche typischerweise von der in Fig. 3 dargestellten Art ist.
  • Die in Fig. 3 dargestellte Form weist ein Oberteil 13 und ein dazu komplementäres Unterteil 12 auf, wobei die Struktur 1 zwischen den beiden Teilen geformt wird.
  • Die Form kann zur vollständigen Verfestigung der Struktur verwendet werden, so daß das resultierende Formteil fest und undurchlässig ist. Das Formteil kann auch nur teilweise verdichtet werden, so daß es porös bleibt. Alternativ hierzu kann ein poröser Gegenstand hergestellt werden durch teilweises oder vollständiges Verdichten und Verfestigen und anschließendes geringfügiges Öffnen der Form, wodurch durch die Federwirkung der Glasfasern das Formteil auf die gewünschte Dicke expandiert.
  • Geeignete Thermoplasten sind beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitrylstyrol, Butadien, Polyethylenterephthalat und Polyvinylchlorid, sowohl plastifiziert als unplastifiziert. Jedes thermoplastische Material kann verwendet werden, welches nicht durch Wasser chemisch angegriffen wird und welches durch Hitzeanwendung ausreichend erweichbar ist, ohne sich dabei zu zersetzen.
  • Eine Materialbahn aus leicht gebundenem unverfestigtem durchlässigen Material mit 33% einzelnen Glasfasern von 13 mm Länge und 11 u Durchmesser, 67% Polypropylenpulver zusammen mit einem Antioxidationsmittel und einem Flächengewicht von 3,000 g/m² wurde in einen Durchtrocknungsofen der Firma Honeycomb Engineering Co. gebracht. Der oberen Oberfläche der Materialbahn wurde Heißluft mit einer Temperatur von 230ºC zugeführt und an die Unterseite wurde ein Teilvakuum angelegt. Durch die Porösität der Materialbahn konnte die Heißluft durch sie hindurchtreten und das Material gleichförmig erhitzen. Nach einer kurzen Zeit (etwa 6 Sekunden) war das immer noch poröse Material vollständig auf die Lufttemperatur von 230ºC erhitzt. Bei dieser etwa 50ºC über dem Schmelzpunkt von Polypropylen liegenden Temperatur wurde die Materialbahn schnell aus dem Ofen entfernt und geformt. Während der Erhitzung der Materialbahn blieb der Druck entlang der Dicke des Materials im wesentlichen konstant, wobei er beim Beginn des Erhitzens 76 cm Wassersäule und beim Ende des Erhitzens 85 cm Wassersäule betrug.
  • In einem weiteren Beispiel wurde ein Material mit 50% Glas (13 mm Länge, 11 um Durchmesser wie vorher), 50% Polypropylenpulver + Antioxidationsmittel verwendet. Die Erhitzungszeit betrug etwa 4 Sekunden, wobei der Druck der gleiche wie in den oben beschriebenen Beispielen war.
  • Diese Möglichkeit der Erhitzung einer porösen unverfestigten Faserstofflage hat eine Reihe deutlicher Vorteile:
  • a) Einsparung von Verarbeitungszeit und Kosten, weil der Herstellungsvorgang entfällt.
  • b) Schnellere Erhitzung des Materials vor dem Verformungsvorgang; etwa 6 Sekunden gegenüber 3 Minuten für eine verfestigte Materialbahn in einem Infrarotofen.
  • c) Die Entwicklung eines besseren Temperaturgradienten über die Dicke des Materials, weil der Durchgang heißer Luft die Materialbahn entlang ihrer Dicke gleichförmig erhitzt, während die Infrarotheizung einer verfestigten Materialbahn ein Temperaturprofil von der Oberfläche zum Zentrum hin entwickelt mit dem Risiko thermischer Zersetzung des Kunststoffs an der Oberfläche, bevor das Zentrum die gewünschte Temperatur erreicht hat.
  • d) Vor der Erhitzung können Ausschnitte aus der unverfestigten Materialbahn geschnitten werden und das "Abfall"-Material kann wieder verwendet werden. Dagegen kann Abfall aus verfestigten Materialbahnen nur zu wesentlich höheren Kosten wiederverwertet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines geformten Gegenstands aus einer Faserstofflage faserverstärkten synthetischen Kunststoffmaterials mit 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% einzelner, diskreter Fasern, deren Elastizitätsmodul größer als 10000 Megapascal und deren Länge zwischen 7 und 50 mm ist und mit 40 Gew.-% bis 80 Gew.-% unverfestigtem partikelförmigem thermoplastischem Material mit einer Partikelgröße unter etwa 1.5 mm, beinhaltend mehrere Schritte, und zwar zunächst das Aufheizen der Faserstofflage zur Entfernung von Restfeuchtigkeit daraus und dann, zur Verbindung der Faser- und Kunststoffkomponenten miteinander zu einer selbsttragenden durchlässigen Materialbahn bei im wesentlicher Erhaltung der Partikelform des Kunststoffmaterials, die Durchführung heißer Luft durch die Materialbahn in einem Durchluftofen zur im wesentlichen gleichmäßigen und homogenen Erhitzung ihrer Komponenten auf eine Temperatur, bei der die Viskosität des die Partikelkomponente bildenden Thermoplasten gering genug ist, um die Materialbahn zu einem geformten Gegenstand zu verformen; das Einsetzen dieser erhitzten durchlässigen Materialbahn in eine Preßform; und die Durchführung einer Preßverformung bei dieser Materialbahn bei festgelegtem Druck zur Bildung eines geformten faserverstärkten Kunststoffgegenstands.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponenten durch Oberflächenverschmelzung des partikelförmigen Kunststoffmaterials miteinander verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Komponenten durch einen während der Bildung der Faserstofflage zugegebenen Binder miteinander verbunden werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Binder aus den Stoffen Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Carboxymethylcellulose und Stärke ausgewählt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Fasern Glasfasern mit einem Durchmesser unter etwa 13 um sind.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Material ist und aus den Stoffen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitrylstyrol, Butadien, Polyethylenterephthalat und Polyvinylchlorid, sowohl plastifiziert als unplastifiziert, ausgewählt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Grad der Verbindung so eingestellt wird, daß sich die Komponenten aneinanderlagern, jedoch eine ausreichende Flexibilität zum Aufrollen der Struktur erhalten bleibt.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Grad der Verbindung so eingestellt wird, daß eine steife, aber durchlässige Materialbahn entsteht.
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