DE3883231T2 - Kunststoffmaterial. - Google Patents

Kunststoffmaterial.

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DE3883231T2 DE88311286T DE3883231T DE3883231T2 DE 3883231 T2 DE3883231 T2 DE 3883231T2 DE 88311286 T DE88311286 T DE 88311286T DE 3883231 T DE3883231 T DE 3883231T DE 3883231 T2 DE3883231 T2 DE 3883231T2
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Elemente aus thermoplastischem Material. Insbesondere bezieht sie sich auf ein derartiges Material zur Verwendung in Verbindung mit verstärkenden Fasern, wie Glasfasern, zur Bildung wässriger Dispersionen, aus welchen offene Faserstofflagen aus den Fasern und aus dem Kunststoff durch Ablagerung und Drainage auf einem porösen Träger gebildet werden können. Derartige Faserstofflagen werden danach zur Bildung von Formteilen oder verfestigten oder durchlässigen Tafeln zur nachfolgenden Verformung Hitze und Druck ausgesetzt.
  • In der europäischen Patentanmeldung Nr. 85 300 031.3 (Veröffentlichungsnr. 0 148 760) wird ein Verfahren zur Bildung einer derartigen Faserstofflage aus einer geschäumten wässrigen Dispersion beschrieben und beansprucht, bei welchem das Kunststoffmaterial pulverförmig ist und Partikel enthält, welche nicht größer als 1.5 mm, vorzugsweise nicht größer als 1.0 mm, sind. Man dachte, daß die Verwendung größerer Partikel einen genügenden Fluß des Kunststoffs während der Verformung zu einer homogenen, geformten Struktur verhindern und auch zu einer erheblichen Verringerung des Biegemoduls des Materials führen würde, wenn es sich beim Verformen verfestigt.
  • Zur Zeit liegt die bevorzugte Größe für die Kunststoffpartikel zwischen 20 und 1000 Mikrometer, und optimal zwischen 300 und 500 Mikrometer, zur Erreichung maximaler Homogenität der Formteile und zur Maximierung des Biegemoduls.
  • Die einzigen kommerziell erhältlichen Materialien, welche bei der Bildung derartiger wässriger Dispersionen unmittelbar verwendet werden können, sind synthetische Textilfasern und bestimmte Kunststoffpulver. Textilfasern sind aufgrund ihrer Feinheit und der genauen Größenspezifizierung, nach welcher derartige Fasern hergestellt werden, sehr teuer. Kunststoffpulver geeigneter Abmessungen müssen unter erheblichen Kosten durch Gefriermahlen von Blöcken oder Granulat hergestellt werden.
  • Es wurde herausgefunden, daß bei Einhaltung bestimmter Größenkriterien die Textilfasern und Pulver durch erheblich größere Elemente aus thermoplastischem Material ersetzt werden können, ohne daß der Biegemodul oder die Festigkeit des faserverstärkten Kunststoffmaterials durch die Verwendung derartiger Elemente wesentlich beeinflußt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine luftdurchlässige, tafelartige Struktur mit 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% einer Faserkomponente aus einzelnen, diskreten Verstärkungsfasern mit einem Elastizitätsmodul über etwa 10000 Megapascal und einer Länge zwischen etwa 7 und etwa 50 mm und 40 Gew.-% bis 80 Gew.-% einer thermoplastischen Komponente, welche vollständig oder wesentlich aus unverfestigten Elementen aus einem thermoplastischen Material besteht, wobei die faserartige und die thermoplastische Komponente zu einer luftdurchlässigen Struktur miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Elemente aus thermoplastischem Material jeweils eine erste Größe zwischen 0.3 mm und 1 mm, eine zweite Größe zwischen 1.5 mm und 30 mm, ein Gesamtvolumen von mindestens 1.8 und höchstens 30 mm³ und ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen über 4:1 aufweisen und jedwede weiteren Elemente vorhandenen thermoplastischen Materials jeweils ein Volumen von weniger als etwa 1.8 mm³ aufweisen.
  • Unter einem hohen Elastizitätsmodul ist ein Elastizitätsmodul zu verstehen, welches erheblich größer ist als dasjenige einer verfestigten Tafel, welche aus der Struktur geformt werden könnte. Verstärkungsfasern, welche in diese Kategorie gehören, beinhalten Glas, Kohle und Keramikfasern und Fasern wie Aramidfasern, welche unter den Handelsnamen Kevlar und Nomex vertrieben werden sowie im allgemeinen alle Fasern mit einem Elastizitätsmodul von über 10000 Megapascal.
  • Vorzugsweise ist die erste Größe kleiner als 0.7 mm. Es wurde herausgefunden, daß sehr zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können, wenn die erste Größe zwischen 0.3 und 0.5 mm liegt.
  • Die Elemente aus thermoplastischem Material können beispielsweise aus Polyäthylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitrylbutadienstyrol, Polyäthylenterephthalat, Polybutylenterephthalat oder Polyvinylchlorid, sowohl plastifiziert als auch unplastifiziert, hergestellt sein. Andere geeignete Thermoplasten umfassen Polyphenylenäther oder Polycarbonate oder Polyestercarbonate oder thermoplastische Polyester oder Polyätherimide oder Acrylnitrylbutacrylatstyrolpolymere oder amorphes Nylon oder Polyarylenätherketone oder Werkstoffe und Mischungen dieser Materialien untereinander oder mit anderen Polymeren. In einem Beispiel ist das bevorzugte Kunststoffmaterial Nylon 6.
  • Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Herstellung einer durchlässigen, tafelartigen Faserstruktur, umfassend die Bildung einer wässrigen Dispersion von 20% bis 60% einzelner, diskreter Fasern mit einem Elastizitätsmodul über etwa 10000 Megapascal und einer Länge zwischen 7 mm und 50 mm und 40 Gew.-% bis 80 Gew.- % vollständig oder im wesentlichen unverfestigter Elemente thermoplastischen Materials, die Ablagerung und die Drainage dieser wässrigen Dispersion auf einem porösen Träger zur Bildung einer Faserstofflage, und die darauffolgende Behandlung der Faserstofflage zur Zusammenbindung der Fasern mit dem thermoplastischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Elemente thermoplastischen Materials jeweils eine erste Größe zwischen 0.3 mm und 1 mm, eine zweite Größe zwischen 1.5 mm und 30 mm, ein Gesamtvolumen von mindestens 1.8 und höchsten 30 mm³ und ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von über 4:1 aufweisen, und jedwede weiteren Elemente vorhandenen thermoplastischen Materials jeweils ein Volumen von weniger als etwa 1.8 mm³ aufweisen.
  • Die verschiedenen Größen der Elemente, auf welche im Hinblick auf die durchlässige, tafelartige Struktur Bezug genommen wurde, sind auch zur Verwendung in dem Verfahren anwendbar.
  • Das Verfahren kann auch einen Schritt umfassen, bei welchem die partikelförmigen Elemente thermoplastischen Materials produziert werden durch Herstellung einer Lunte aus diesem Kunststoffmaterial und Schneiden dieser Lunte in Elemente mit den jeweils oben genannten Größen.
  • Die Lunte aus thermoplastischem Material, aus welcher die Partikel ausgeschnitten sind, kann durch Abschaben der Lunte von einer festen Masse des synthetischen, thermoplastischen Materials hergestellt werden. Die Masse kann einen Balken umfassen, welcher im Eingriff mit einem Schneidwerkzeug gedreht oder hin- und herbewegt wird, um die Lunte herzustellen.
  • Alternativ hierzu kann geschmolzenes, thermoplastisches Material aus einer Spritzform extrudiert und in Luft oder Wasser gekühlt werden und während des Kühlens oder danach mit einem drehbaren Werkzeug geschnitten werden.
  • Es wurde nun erkannt, daß unter der Voraussetzung geeigneter Größenkriterien, die Partikelkonfiguration der Kunststoffelemente nicht kritisch bezüglich deren effektiven Gebrauch bei der Bildung faserverstärkter thermoplastischer Materialien ist. Dies erleichtert die Verwendung der verschiedenen, zur Herstellung der Elemente beschriebenen Verfahren, welche so ausgeführt werden können, daß die Elemente zu erheblich geringeren Kosten herstellbar sind als bei den Verfahren, welche notwendigerweise für die Herstellung von Textilfasern oder Pulvern einzusetzen sind.
  • Die vorliegende Erfindung beinhaltet und kann ausgeführt werden entsprechend des Verfahrens und der Vorrichtung, wie sie in der europäischen Patentanmeldung Nr. 85 300 031.3 (Veröffentlichungsnr. 0 148 760) beschrieben sind, deren Offenlegung hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
  • Es sei jedoch angemerkt, daß das in der europäischen Patentanmeldung beschriebene Kunststoffmaterial mindestens zum Teil durch partikelförmiges Kunststoffmaterial ersetzt wird, welches Elemente enthält, die eine erste Größe unterhalb 1 mm, eine zweite Größe zwischen 1.5 und 30 mm, ein Gesamtvolumen von nicht mehr als 30 mm³ und ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von über 4:1 aufweisen.
  • Das partikelförmige Kunststoffmaterial zur Verwendung in der Erfindung kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, jedoch wird eine Anzahl von Verfahren im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 der begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen vier alternative Verfahren zur Herstellung einer Lunte und zu deren Zuschnitt in Partikel geeigneter Größe.
  • Figur 1 zeigt einen Stab 1 aus Kunststoffmaterial, welcher in der Richtung des Pfeils 2 im Eingriff mit einem Schneidwerkzeug 3 gedreht wird, wodurch spanartige Lunten 4 erzeugt werden, welche in einen Fülltrichter 5 fallen. Am unteren Ende des Fülltrichters 5 schneidet ein sich hin- und herbewegendes Messer 6 die Lunten 4 in Partikel 7, welche in eine Aufnahme 8 fallen.
  • Wie aus Figur 2 erkennbar ist, wird eine Stange 10 aus thermoplastischem Material in der Richtung des Pfeiles 11 hin- und herbewegt und über ein Kratzwerkzeug 12 geführt, welches Lunten 13 erzeugt. Die Lunten 13 fallen in einen Fülltrichter und werden wie oben, unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben, geschnitten.
  • In Figur 3 ist ein Gehäuse 20 mit einer Spritzform 21 dargestellt, durch welche geschmolzenes Thermoplastmaterial 22 in herkömmlicher Weise gedrückt wird. Bei der Abkühlung bildet sich ein Stab 23, welcher sich durch einen Schneidblock 24 erstreckt, welcher mit einem sich drehenden Schneidwerkzeug 25 zusammenwirkt. Das Schneidwerkzeug 25 schneidet Partikel 26 von dem Stab, welche in einer Aufnahme 27 gesammelt werden.
  • Aus Figur 4 ist ein Gehäuse 30 mit einer Öffnung 31 ersichtlich, durch welche geschmolzenes Thermoplastmaterial 32 in einen einstückig angeformten Container 33 gedrückt wird, der mit Wasser 34 gefüllt ist. Beim Durchlauf durch die Spritzform 31 wird das thermoplastische Material 32 von einem sich drehenden Schneidwerkzeug 36 in Partikel 35 geschnitten.
  • Bei den in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen werden die Partikel zu den oben angegebenen Größen und zum Gebrauch für die Herstellung einer wässrigen Dispersion mit Verstärkungsfasern zerschnitten.
  • Die optimale Größe hängt von den Eigenschaften des verwendeten Materials ab, beispielsweise haben einige Materialien bei einem gegebenen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen einen inhärent höheren Biegemodul als andere Materialien.
  • Die beigefügte Tabelle 1 enthält verschiedene Beispiele für Materialien, welche nach dem Verfahren hergestellt sind und welche in dem produzierten Material verwendet werden können.
  • Zur Herstellung der Polycarbonatelemente wurden verschiedene Größen Polycarbonatfilm, welcher unter dem eingetragenen Warenzeichen LEXAN vertrieben wird, zerstückelt oder zu verschiedenen Größen geschnitten und zur Herstellung von Tafeln mit 30 Gew.-% einzelner, diskreter Glasfasern mit 13 mm Länge und 11 Mikrometern Durchmesser verwendet. Eine einzelne Tafel wurde hergestellt, welche nach der Trocknung und vor der Verfestigung in einer Heißpresse und dem nachfolgenden Abkühlen vierfach gefaltet wurde. Aus der abgekühlten, verfestigten Tafel wurden Proben geschnitten und auf ihre Biegeeigenschaften untersucht. Die Tafeln wurden auch auf ihr Aussehen untersucht und Testmuster wurden geschnitten.
  • Als Kontrolle wurden Partikel auf eine geringe Größe geschnitten, welche innerhalb der Partikelgröße bekannter thermoplastischer Pulver liegt, während ihr Verhältnis von Oberfläche zu Volumen höher war. Dieses Material eignete sich daher als Kontrolle mit einem Partikelvolumen unter 1.8 mm³ als Volumen einer Kugel von 1.5 mm Durchmesser. Auf der Basis dieses Vergleichs wurde herausgefunden, daß bei Verwendung von Partikeln mit den oben angebenen Größenkriterien keine erhebliche Verschlechterung der Biegeeigenschaften eintrat, jedoch in Tafeln mit hochvolumigen Partikeln Oberflächendefekte sichtbar wurden, beispielsweise bei Partikelvolumen von 60 mm³, welche ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von unter 4 haben (2:3).
  • Die Nylon 6-Proben wurden aus einem Block Nylon 6 mit verschiedenen Maschinenwerkzeugen durch Schaben oder Schleifen hergestellt und Tafeln wurden auf die gleiche Weise gefertigt wie bei Polycarbonat. Eine Probe wurde sehr feinflockig hergestellt mit einem Partikelvolumen von unter 1.8 mm³ und als Kontrolle verwendet.
  • Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß sich die Eigenschaften mit anwachsendem Partikelvolumen im allgemeinen verschlechtern. Diese Abnahme ist bei der dritten Probe für die Biegefestigkeit statistisch signifikant, jedoch nicht für den Biegemodul.
  • Polypropylenpulver, welches von ICI Ltd. unter dem Handelsnamen PXC 81604 angeboten wird, wurde zur Extrusion feiner Stäbe verschiedenen Durchmessers verwendet, welche daraufhin auf verschiedene Längen abgeschnitten wurden. In diesem Fall wurde als Kontrolle Polypropylenpulver mit einer Partikelgröße von unter 1 mm verwendet.
  • Dreilagige Tafeln wurden hergestellt, getrocknet und verfestigt. Es wurde festgestellt, daß alle Werte der unter Verwendung von Stäben hergestellten Tafeln geringfügig unterhalb der unter Verwendung von Pulver hergestellten Tafeln lagen, was jedoch statistisch nicht signifikant war. Auch die Werte der Biegefestigkeit sind etwas geringer, jedoch akzeptabel.
  • Es wurde herausgefunden, daß nicht pulverförmige thermoplastische Elemente mit Volumen über 1.8 mm³ ohne ernsthaften (d.h. über 10%) Verlust an Biegemodul nutzbringend verwendet werden können. Diese Elemente können in Form von zerschnittenem Film, Kunststoffabschabungen oder extrudierten und geschnittenen Elementen vorliegen, welche mit den oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. Die genaue Form oder Herstellungsweise für die Elemente ist nicht kritisch, solange eine Größe unterhalb 1 mm (und vorzugsweise unter 0.7 mm) liegt, eine andere Größe unterhalb von 30 mm liegt und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen größer als 4:1 ist. Derartige Partikel mit einem Volumen bis zu 30 mm³ sind zufriedenstellend.
  • Gegenstand der Erfindung ist also ein billiges thermoplastisches Material, welches sich zur Herstellung faserverstärkten Kunststoffs eignet, nicht kommerziell erhältlich ist und die Verwendung billiger Abfallmaterialien aus Kunststoff erleichtert. TABELLE 1 BEISPIELE ZUR VERWENDUNG VON NICHT PULVERFÖRMIGEN POLYMERPARTIKELN MIT HOHEM VOLUMEN Polymer Form Ungefähre Großen (mm) Partikelvolumen (mm³) Verhältnis Oberläche: Volumen Biegemodul (MPa) Biegefestigkeit (MPa) Polycarbonat Nylon 6 Polypropylen (Kontrolle) zerschnittener Film Flocken (Kontrolle) Bänder Pulver (Kontrolle) Stäbe

Claims (16)

1. Luftdurchlässige, tafelartige Struktur mit 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% einer Faserkomponente aus einzelnen, diskreten Verstärkungsfasern mit einem Elastizitätsmodul über etwa 10000 Megapascal und einer Länge zwischen etwa 7 und etwa 50 mm und 40 Gew.-% bis 80 Gew.-% einer thermoplastischen Komponente, welche vollständig oder wesentlich aus unverfestigten Elementen aus einem thermoplastischen Material besteht, wobei die faserartige und die thermoplastische Komponente zu einer luftdurchlässigen Struktur miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Elemente aus thermoplastischem Material (8) jeweils eine erste Größe zwischen 0.3 mm und 1 mm, eine zweite Größe zwischen 1.5 mm und 30 mm, ein Gesamtvolumen von mindestens 1.8 und höchstens 30 mm³ und ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen über 4:1 aufweisen und jedwede weiteren Elemente vorhandenen thermoplastischen Materials jeweils ein Volumen von weniger als etwa 1.8 mm³ aufweisen.
2. Luftdurchlässige, tafelartige Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Größe kleiner als 0.7 mm ist.
3. Luftdurchlässige, tafelartige Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Größe zwischen 0.3 und 0.5 mm liegt.
4. Luftdurchlässige, tafelartige Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das partikelförmige Kunststoffmaterial (8) ein Thermoplast oder ein wärmeaushärtender Kunststoff oder eine Mischung aus beiden ist.
5. Luftdurchlässige, tafelartige Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Polyäthylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitrylstyrolbutadien, Polyäthylenterephthalat oder Polyvinylchlorid ist.
6. Luftdurchlässige, tafelartige Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Nylon 6 ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer durchlässigen, tafelartigen Faserstruktur, umfassend die Bildung einer wässrigen Dispersion von 20% bis 60% einzelner, diskreter Fasern mit einem Elastizitätsmodul über etwa 10000 Megapascal und einer Länge zwischen 7 mm und 50 mm und 40 Gew.-% bis 80 Gew.-% vollständig oder im wesentlichen unverfestigter Elemente thermoplastischen Materials, die Ablagerung und die Drainage dieser wässrigen Dispersion auf einem porösen Träger zur Bildung einer Faserstofflage, und die darauffolgende Behandlung der Faserstofflage zur Zusammenbindung der Fasern mit dem thermoplastischen Material, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Elemente thermoplastischen Materials jeweils eine erste Größe zwischen 0.3 mm und 1 mm, eine zweite Größe zwischen 1.5 mm und 30 mm, ein Gesamtvolumen von mindestens 1.8 und höchsten 30 mm³ und ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von über 4:1 aufweisen, und jedwede weiteren Elemente vorhandenen thermoplastischen Materials jeweils ein Volumen von weniger als etwa 1.8 mm³ aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Größe kleiner als 0.7 mm ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Größe zwischen 0.3 und 0.5 mm liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial (8) ein Thermoplast oder ein wärmeaushärtender Kunststoff oder eine Mischung aus beiden ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Polyäthylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitrylstyrolbutadien, Polyäthylenterephthalat oder Polyvinylchloridpolycarbonat, sowohl plastifiziert als auch unplastifiziert, ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Nylon 6 ist.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es die Verfahrensschritte der Herstellung der Elemente (8) aus Kunststoffmaterial durch Bildung einer Lunte (4) aus diesem Kunststoffmaterial und des Schneidens dieser Lunte in Elemente (7) mit jeweiligen Größen innerhalb des genannten Bereichs, umfaßt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lunte (4) aus Kunststoffmaterial gebildet wird, indem diese Lunte (4) (13) von einer festen Masse (1) (10) dieses Kunststoffmaterials abgetrennt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse eine Stange (10) ist, welche im Eingriff mit einem Schneidwerkzeug (3) (12) gedreht oder hin- und herbewegt wird, um die Lunte (4) (13) herzustellen.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Kunststoffmaterial (32) aus einer Spritzform (31) extrudiert und in Luft oder Wasser gekühlt wird und während des Kühlens oder danach mit einem drehbaren Werkzeug (36) geschnitten wird.
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