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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Kraftfahrzeuginnenausstattungsartikel enthaltend
eine Paneel- bzw. Verkleidungsstruktur, die in einem Kraftfahrzeug
montierbar sind, um einen Teil von dessen Innerem zu bilden, und
insbesondere Kraftfahrzeuginnenausstattungsartikel, wie Instrumententafeln,
Türverkleidungen
und Handschuhkastenklappen. Diese Erfindung betrifft weiter ein
Verfahren zur Herstellung von Kraftfahrzeuginnenausstattungsartikeln.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Kraftfahrzeuginnenausstattungsartikel,
wie Instrumententafeln, Türverkleidungen,
Armstützen, Kopfstützen, Bodenkonsolen,
Kniepolster und Handschuhkastenklappen sind konventionell durch
Aufbringen eines weichen dekorativen Überzugs über einem in einer Kraftfahrzeugkarosserie
montierbaren steifen oder starren Substrat konstruiert worden, mit einer
zwischen dem dekorativen Überzug
und dem steifen Substrat eingefügten
Polsterung aus porigem Polyurethan. Gewöhnlich wird dem dekorativen Überzug in
einem Bemühen,
das Aussehen und Gefühl
von echtem Leder zu simulieren, eine vorbestimmte Textur und Farbe
verliehen.
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Die
Herstellung eines selbsttragenden synthetischen Kraftfahrzeuginnenausstattungsartikels mit
einem doppelschichtigen dekorativen Überzug ist im U.S. Patent Nr.
5,662,996 (entsprechend der WO 93/23237) offenbart, und insbesondere
im Beispiel 2 desselben. Gemäß dem im
Patent von Recticel mit der Endnummer 996 offenbarten Verfahren
zur Herstellung dieses Innenausstattungsartikels wird anfänglich ein
Polyurethanlack auf Lösemittelbasis
als "Formfarbe" auf eine offene
Formoberfläche
aufgebracht und wird dann durch Verdunstung des Lösemittels
getrocknet. Danach wird auf der inneren Oberfläche der getrockneten Formfarbe
unter Verwendung von spezialisierten Düsen und Auftragssystemen eine
aus einem zweiteiligen Polyurethanelastomer hergestellte "Haut" gebildet. In der
Praxis sind geeignete Sprühdüsen und
Systeme, die benutzt werden können,
im U.S. Patent 5,028,006 und 5,071,683 offenbart. Als Nächstes wird
eine porige Polyurethanschaumschicht hergestellt, indem man ein
Polyurethanreaktionsgemisch gegen die Polyurethanelastomerhaut sprüht. Schließlich wird
ein Polyurethan- oder Polyisocyanuratreaktionsgemisch gegen die
entgegengesetzte Oberfläche
der porigen Polyurethanschaumschicht aufgebracht, um einen steifen
synthetischen Träger
zu erhalten.
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Es
scheint, dass der kommerzielle Nutzen dieses im Patent von Recticel
mit der Endnummer 996 offenbarten, die Formfarbe enthaltenden doppelschichtigen Überzugs
aus dem Stand der Technik sowie des Verfahrens zur Herstellung desselben
vernachlässigbar
ist, wie durch das gegenwärtige
Fehlen einer kommerziellen Aktivität von Recticel im Hinblick
auf diesen doppelschichtigen Überzug
angezeigt wird. Recticel nutzt in seiner eigenen kommerziellen Aktivität keinen
Formlack auf Lösemittelbasis. Recticel
hat sogar mindestens einem seiner Kunden verboten, seine Formfarbe
zu verwenden.
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Weiter
macht die Verwendung des Lacks auf Lösemittelbasis, wie der Formfarbe,
dem im Patent von Recticel mit der Endnummer 996 offenbarten vorbereitenden
Verfahren mit mehreren Komplikationen und Mängeln das Leben schwer. Zum
Beispiel enthalten diese Lacke große Mengen an atmosphärenschädigenden
flüchtigen
organischen Verbindungen (VOCs). Aufgrund der äußerst leicht entflammbaren
und explosiven Natur von VOCs unterliegen solche Lacke strengen
staatlichen Regulierungen.
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Ein
Befolgen dieser staatlichen Regulierungen macht häufig zusätzliche
und teuere Einrichtungen erforderlich, die dazu bestimmt sind, die
Arbeitssicherheit zu gewährleisten
und einen Schutz gegen Umweltverschmutzung zu bieten. Zum Beispiel
müssen
zum Umgang mit solchen Lacken ausgestattete Fertigungsanlagen spezielle
Sprüheinrichtungen,
separate und maßgeschneiderte
Sprühzonen
und Luftreinigungsanlagen einschließen. Auch müssen sich Arbeiter in einen
speziellen schützenden
und häufig voluminösen und
unhandlichen Anzug kleiden, der feuerbeständig ist und gegen giftige
Dämpfe
Schutz bietet.
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Es
besteht daher ein Bedürfnis,
ein Verfahren zur Herstellung einer Paneel- bzw. Verkleidungsstruktur
bereitzustellen, die einen mehrschichtigen dekorativen Überzug einschließt, bei
dem die Paneelstruktur in einer umweltschonenderen, wirkungsvollen
und kostengünstigen
Weise erzeugt werden kann und bei dem die resultierende Paneelstruktur ein
gewünschtes
lederartiges Erscheinungsbild hoher Qualität besitzt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die zuvor erwähnten Probleme
zu lösen,
die mit dem Stand der Technik sowie dem oben ausgedrückten Bedürfnis verbunden
sind. Gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel erreicht, indem ein
Verfahren zur Herstellung einer Paneelstruktur bereitgestellt wird,
die in einem Kraftfahrzeug montierbar ist, um einen Teil des Fahrzeuginneren
zu bilden. Die Paneelstruktur umfasst eine geschichtete Verbundstruktur
und ein Verstärkungssubstrat,
wobei das Substrat vom Fahrzeuginneren her verborgen ist, wenn die
Paneelstruktur im Kraftfahrzeug montiert ist. Die geschichtete Verbundstruktur
umfasst eine Außenschicht,
die mindestens einen Teil einer mindestens teilweise frei liegenden äußeren Oberfläche der
Paneelstruktur bildet, sowie eine Innenschicht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
dieses Verfahrens werden mindestens die folgenden Schritte ausgeführt, um
die Paneelstruktur herzustellen. Mindestens eine wasserdispergierte
Zusammensetzung, umfassend mindestens ein lichtbeständiges thermoplastisches
Polyurethan (vorzugsweise in Form von Harzpartikeln in einer in
Wasser dispergierten kolloidalen Lösung), das eine oder mehr seitenständige funktionelle
Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen enthält, mindestens ein gewünschtes
Färbungsmittel,
und mindestens ein lichtbeständiges
geblocktes wärmeaktiviertes
Diisocyanat, wird auf eine erwärmte
Formoberfläche
aufgebracht, die gestaltet ist, um eine zur Außenschicht komplementäre Ausbildung festzulegen.
Das lichtbeständige
thermoplastische Polyurethan und das geblockte wärmeaktivierte Diisocyanat werden
erwärmt,
vorzugsweise durch Vorwärmen
der Formoberfläche,
und zur Reaktion gebracht, um eine Vernetzung des thermoplastischen Polyurethans
mit dem geblockten wärmeaktivierten Diisocyanat
hervorzurufen. Dann wird die wasserdispergierte Zusammensetzung
im Wesentlichen getrocknet, während
sie sich auf der Formoberfläche befindet,
um die Harzpartikel zu einem zusammenhängenden Film zu verschmelzen
und dadurch die frei liegende Außenschicht zu bilden. Als Nächstes wird
eine schnell reagierende Zusammensetzung, die mindestens ein aromatisches
Polyisocyanat und mindestens ein Polyol enthält, auf eine innere Oberfläche der
Außenschicht
gesprüht,
während
sie sich auf der Formoberfläche
befindet, um die Innenschicht zu bilden, die ein aromatisches Polyurethanelastomer
umfasst, das mit dem Polyurethan der Außenschicht über nicht-umgesetzte restliche
funktionelle Gruppen des geblockten wärmeaktivierten Diisocyanats
in der Außenschicht
vernetzt wird. Folglich erhält
man eine chemische Grenzflächen-
bzw. Zwischenflächenbindung
zwischen der inneren Oberfläche
der Außenschicht
und einer angrenzenden Oberfläche
der Innenschicht, um die geschichtete Verbundstruktur zu bilden.
Die geschichtete Verbundstruktur wird dann mit dem Verstärkungssubstrat
vereinigt, so dass das Verstärkungssubstrat
dazu dient, die Außenschicht
zu verstärken.
Wahlweise kann zwischen der Innenschicht und dem Verstärkungssubstrat
eine weiche porige Polyurethanschaumschicht gebildet werden. Folglich
bewahrt die Paneelstruktur das Gefühl, die Farbe und die Ausbildung des
frei liegenden Teils, sowie das Zusammendrückgefühl, das der Außenschicht
durch die Innenschicht und die wahlweise vorgesehene Zwischenschicht aus
weichem porigem Schaum verliehen wird.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines
Kraftfahrzeuginnenausstattungsartikels, der eine durch das Verfahren
der vorliegenden Erfindung hergestellte Paneel- bzw. Verkleidungsstruktur
enthält,
und insbesondere die Bereitstellung einer Paneelstruktur mit einer äußeren Oberfläche, die
das Erscheinungsbild und Gefühl
von echtem Leder simuliert.
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Gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel erreicht, indem ein
Artikel bereitgestellt wird, der eine Paneelstruktur umfasst, die in
einem Kraftfahrzeug montierbar ist, um einen Teil von dessen Innerem
zu bilden. Die Paneelstruktur besitzt eine äußere Oberfläche, die zum Fahrzeuginneren
hin mindestens teilweise frei liegt, sowie eine innere Oberfläche, die
vom Fahrzeuginneren her verborgen ist, wenn die Paneelstruktur an
der Kraftfahrzeugstruktur montiert ist. Die Paneelstruktur umfasst ein
Verstärkungssubstrat
und eine geschichtete Verbundstruktur, mit einer wahlweise dazwischen
eingefügten
weichen porigen Polyurethanschaumschicht. Das Verstärkungssubstrat
weist eine Oberfläche
auf, welche die innere Oberfläche
der Paneelstruktur bildet, sowie eine entgegengesetzte Oberfläche, welche
mit der geschichteten Verbundstruktur vereinigt ist. Die geschichtete
Verbundstruktur umfasst eine Außenschicht
und eine Innenschicht. Die Außenschicht
bildet mindestens einen Teil der frei liegenden äußeren Oberfläche der
Paneelstruktur und weist das gewünschte
Berührungsgefühl, die
gewünschte Farbe
und Ausbildung der Paneelstruktur auf, ebenso wie sie eine gute
chemische Beständigkeit
zeigt. Die Außenschicht
umfasst ein im Wesentlichen getrocknetes, lichtbeständiges,
vernetztes Polyurethan, das aus einer wasserdispergierten Zusammensetzung
zubereitet ist, die mindestens ein gewünschtes Färbungsmittel, mindestens ein
lichtbeständiges thermoplastisches
Polyurethan, das eine oder mehr seitenständige funktionelle Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen
enthält,
sowie ein lichtbeständiges
geblocktes wärmeaktiviertes
Diisocyanat-Vernetzungsmittel umfasst. Das lichtbeständige aliphatische
thermoplastische Polyurethan und das geblockte wärmeaktivierte Diisocyanat werden
erwärmt,
um dadurch eine Vernetzungsreaktion zu erzeugen, und auf einer erwärmten Formoberfläche geformt,
die gestaltet ist, um eine komplementäre Ausbildung der Außenschicht
festzulegen, und werden dann auf der Formoberfläche getrocknet. Die Innenschicht,
die dicker als die Außenschicht
ist, umfasst ein aromatisches Polyurethanelastomer, das aus einer
schnell reagierenden Zusammensetzung zubereitet ist, die mindestens
ein aromatisches Polyisocyanat und mindestens ein Polyol enthält. Das
geblockte wärmeaktivierte
Diisocyanat dient dazu, das aromatische Polyurethanelastomer mit
dem lichtbeständigen
Polyurethan der Außenschicht
zu vernetzen. Folglich weist die Innenschicht eine Oberfläche auf,
die zu einer inneren Oberfläche
der Außenschicht
benachbart und an diese chemisch grenzflächengebunden ist. Die chemischen
Grenzflächenbindungen
werden gebildet, indem man die schnell reagierende Zusammensetzung auf
die innere Oberfläche
der Außenschicht
sprüht, während die
Außenschicht
auf der Formoberfläche festgehalten
wird. Das Verstärkungssubstrat
dient dazu, die Außenschicht
zu verstärken,
während
das Berührungsgefühl und die
Farbe des frei liegenden Teils und das der Außenschicht von der Innenschicht und
einem wahlweise dazwischen eingefügten weichen porigen Polyurethanschaum
verliehene Zusammendrückgefühl erhalten
bleiben.
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Der
gemäß dieser
Ausführungsform
bereitgestellte Verbundstoff zeigt ausgezeichnete chemische, Abrieb-
und Kratzbeständigkeit
gegenüber äußeren Einflüssen. Diese
und andere Eigenschaften werden weiter durch die Wahl eines aromatischen Polyisocyanats,
im Gegensatz zu einem aliphatischen Polyisocyanat, zur Herstellung
der Polyurethan-Innenschicht verbessert. Physikalische Eigenschaften,
die von Elastomeren auf aromatischer Grundlage gezeigt werden, sowie
deren Verarbeitungsvermögen, übersteigen
diejenigen von Elastomeren auf aliphatischer Grundlage in mehreren
Kategorien, die in der Automobilindustrie äußerst wichtig sind. Zum Beispiel
zeigt sich das verbesserte Verarbeitungsvermögen der Elastomere auf aromatischer Grundlage
durch ihr besseres Sprühvermögen, einen geringeren
Rücklauf,
schnellere Aushärtungsgeschwindigkeiten
und Entformungszeiten, ausgezeichnete Handhabung, weniger kleine
Löcher
und gleichförmigere
Dicken. Die Elastomere auf aromatischer Grundlage zeigen auch höhere Zug-
und Reißfestigkeiten,
ein besseres Dehnungs- und "Kaltbiege"-Vermögen
sowie geringere Kosten als ihre Gegenstücke auf aliphatischer Grundlage.
Diese Eigenschaften setzen sich in schnellere Produktionszeiten und
Produkte höherer
Qualität
um, als mit Elastomeren auf aliphatischer Grundlage erreicht werden könnten. Außerdem werden
Bedenken dahingehend vermieden, dass der Elastomer auf aromatischer Grundlage
weniger beständig
wird, nachdem er längere
Zeit Licht ausgesetzt ist, da die lichtbeständige Polyurethan-Außenschicht
das Elastomer auf aromatischer Grundlage davor schützt, direkt
dem Sonnenlicht ausgesetzt zu sein.
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Weiter
können
geeignete Additive in den Verbundstoff eingebracht werden, um den
Verbundstoff mit dem für
derartige Paneelstrukturen gewünschten nicht-reflektierenden
und glanzarmen Oberflächenerscheinungsbild
zu versehen. Außerdem
sind sowohl die Innen- und die Außenschicht des Verbundstoffs durch
eine ausgezeichnete Dehnbarkeit gekennzeichnet, so dass der Verbundstoff über einen
weiten Temperaturbereich, wie von –30°C bis 120°C, ein Eindrücken und Biegen während des
Gebrauchs aushalten kann, ohne dass dies eine Rissbildung in der
Außenschicht
verursacht.
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Die
oben ausgedrückten
Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind auf alle Arten von Paneel- bzw.
Verkleidungsstrukturen anwendbar, weisen jedoch eine besondere Anwendbarkeit
für Instrumententafeln
(auch als Armaturenbretter bezeichnet) und Türverkleidungen auf. Außerdem sind
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Arten von
Fahrzeugen anwendbar, einschließlich
Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Lieferwagen, Nutzfahrzeuge und
andere.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
begleitenden Zeichnungen veranschaulichen die vorliegende Erfindung.
In diesen Zeichnungen:
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ist 1 eine perspektivische,
teilweise geschnittene und teilweise in unterbrochenen Linien dargestellte
Ansicht einer fertiggestellten Fahrzeugtürverkleidung, die gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist;
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2 ist eine perspektivische
Ansicht einer fertiggestellten Fahrzeuginstrumententafel, die gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist;
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3 ist eine Schnittansicht
der Instrumententafel aus 2 entlang
der Linie III-III;
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4 ist eine Schnittansicht
einer Formoberfläche,
die einen Schritt eines Aufbringens einer wasserdispergierten Polyurethanzusammensetzung auf
die Formoberfläche
zeigt, während
sie erwärmt wird,
um gemäß der vorliegenden
Erfindung eine vernetzte lichtbeständige Polyurethan-Außenschicht
zu bilden;
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5 ist eine Schnittansicht ähnlich 4, die einen Schritt eines
Trocknens der Polyurethan-Außenschicht
zeigt;
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6 ist eine Schnittansicht ähnlich 5, die einen Schritt eines
Erhaltens einer Innenschicht, und dann einer geschichteten Verbundstruktur,
durch Aufsprühen
einer schnell reagierenden Zusammensetzung auf eine innere Oberfläche der
Außenschicht zeigt,
während
die Außenschicht
auf der Formoberfläche
festgehalten wird;
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7 ist eine Schnittansicht ähnlich 6, die einen Schritt eines
Entfernens der geschichteten Verbundstruktur von der Formoberfläche zeigt;
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8 ist eine Schnittansicht
einer zweiten Formoberfläche,
die einen Schritt eines Erhaltens einer verhältnismäßig steifen porigen Polyurethanschaum-Zwischenschicht
durch Aufbringen eines Reaktionsgemischs auf die geschichtete Verbundstruktur
zeigt, während
sie auf einer zweiten Formoberfläche
angeordnet ist; und
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9 ist eine Schnittansicht,
die einen Schritt eines Vereinigens der geschichteten Verbundstruktur
auf der zweiten Formoberfläche
mit einem auf einer dritten Formoberfläche angeordneten vorgeformten
Substrat zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Nunmehr
spezieller auf die Zeichnungen Bezug nehmend, ist dort in 1 eine Paneel- bzw. Verkleidungsstruktur
dargestellt, die eine allgemein durch die Bezugsziffer 10 gekennzeichnete, durch ein
Verfahren gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung hergestellte Fahrzeugtürverkleidung umfasst.
Die Türverkleidung 10 schließt einen
oberen Fensterbrüstungsteil 12 und
einen Armstützenteil 14 ein,
die dazwischen einen Polsteraufnahmeteil 16 begrenzen.
Ein unterer ebener Teppichaufnahmeteil 18 mit einem damit
verbundenen Teppichstück 20 ist unterhalb
des Armstützenteils 14 angeordnet.
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Wie
in 1 im Querschnitt
dargestellt, weist die Paneelstruktur 10 eine zum Fahrzeuginneren
hin frei liegende äußere Oberfläche 10a und
eine innere Oberfläche 10b auf,
die vom Fahrzeuginneren her verborgen ist, wenn die Paneelstruktur 10 im Kraftfahrzeug
montiert ist. Die Paneelstruktur 10 schließt ein Verstärkungs-
(oder steifes) Substrat 22 ein, das eine Oberfläche aufweist,
welche die innere Oberfläche 10b der
Paneelstruktur 10 bildet. Die Paneelstruktur 10 schließt weiter
eine allgemein durch die Bezugsziffer 24 gekennzeichnete
geschichtete Verbundstruktur ein, umfassend eine Außenschicht 26,
die mindestens einen Teil der frei liegenden äußeren Oberfläche 10a der
Paneelstruktur 10 bildet, sowie eine Innenschicht 28.
Mindestens ein Teil der Außenschicht 26 liegt
zum Fahrzeuginneren hin frei, obwohl ein Teil der Außenschicht
durch einen dekorativen oder anderen verdeckenden Gegenstand dem Blick
verborgen sein kann. Zum Beispiel ist in 1 der untere ebene Teppichaufnahmeteil 18 der
Außenschicht 26 vom
Teppichstück 20 bedeckt
und liegt daher nicht zum Fahrzeuginneren hin frei.
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Wie
in 1 dargestellt, weist
die Innenschicht 28, die im Vergleich zur Außenschicht 26 verhältnismäßig dick
ist, eine äußere Oberfläche 28a (6) auf, die zu einer inneren
Oberfläche 26b (5 und 6) der Außenschicht 26 benachbart
und an diese chemisch grenzflächengebunden
ist. Wie in 1 weiter
dargestellt, verstärkt
das Substrat 22, das vom Fahrzeuginneren her verborgen
ist, wenn die Paneelstruktur 10 im Kraftfahrzeug montiert
ist, die Außen-
und Innenschicht 26 und 28. Schließlich ist
zwischen die Innenschicht 28 und das steife Substrat 22 eine
Zwischenschicht 30 eingefügt, die ein verhältnismäßig steifes
(oder halbstarres) poriges Polyurethanschaum-Füllmaterial umfasst. Das verstärkte Substrat 22 sollte
eine ausreichende Festigkeit besitzen, um die Außenschicht 26, die
Innenschicht 28 und die Zwischenschicht 30 zu
verstärken und
zu montieren, und sollte eine ausreichende Steifigkeit besitzen,
um es zu gestatten, den Verbundstoff in einer Kraftfahrzeug-Unterstruktur
zu montieren.
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Wie
in 4 dargestellt, verwendet
das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine erste Formkomponente
oder ein erstes Formteil 32 mit einer ersten Formoberfläche 34.
Die erste Formkomponente 32 wird vorzugsweise durch elektrolytische
Abscheidung von Nickel über
einem starren gegossenen Epoxidsubstrat angefertigt, das am Ende
des Abscheidungs/Galvanisierungsvorgangs sekundär entfernt wird, um eine selbsttragende
Form hervorzubringen, die sich in einem Werkzeugbestückungsmodul
montieren und kontrollieren lässt.
Die erste Formoberfläche 34 ist
gestaltet, um eine Ausbildung festzulegen, die im Wesentlichen die
gewünschte
Ausbildung der Außenschicht 26 ergänzt, und
ist genarbt, um eine Textur festzulegen, die im Wesentlichen die
gewünschte
Textur der Außenschicht 26 ergänzt und echtes
Leder simuliert.
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4 veranschaulicht den ersten
Schritt bei der vorliegenden Erfindung, und gemäß diesem Schritt wird die Außenschicht 26 erhalten,
indem eine wasserdispergierte Zusammensetzung 36, vorzugsweise
durch Sprühen,
auf die erste Formoberfläche 34 aufgebracht
wird. Die wasserdispergierte Zusammensetzung umfasst mindestens
ein lichtbeständiges
aliphatisches thermoplastisches Polyurethan, das eine oder mehr
seitenständige
funktionelle Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen enthält, mindestens
ein gewünschtes
Färbungsmittel,
sowie mindestens ein geblocktes wärmaktiviertes (vorzugsweise aliphatisches)
Diisocyanat.
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Das
Aufbringen der wasserdispergierten Zusammensetzung 36 auf
die erwärmte
erste Formoberfläche 34 ruft
eine chemische Reaktion zwischen der einen oder den mehreren seitenständigen funktionellen
Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen des lichtbeständigen thermoplastischen Polyurethans und
dem geblockten wärmeaktivierten
aliphatischen Diisocyanat hervor, wodurch ein vernetztes lichtbeständiges Polyurethan
erzeugt wird. Die erste Formoberfläche 34 sollte auf
eine ausreichende Temperatur erwärmt
werden, um die Vernetzungsreaktion voranzutreiben, jedoch sollte
sie nicht so hoch sein, dass eine Abschälung der Zusammensetzung 36 von der
Formoberfläche 34 hervorgerufen
wird. Vorzugsweise wird die erste Formoberfläche 34 auf eine Temperatur
in einem Bereich von etwa 60°C
(140°F)
bis etwa 71,1°C
(160°F)
erwärmt.
Das Erwärmen
der ersten Formoberfläche 34 auf
solche erhöhten
Temperaturen vor dem Aufbringen der wasserdispergierten Zusammensetzung 36 darauf
dient auch dazu, auf die erste Formoberfläche 34 aufgebrachte
semipermanente Formtrennmittel, wie mikrokristalline Wachs-Formtrennmittel,
zu schmelzen und fein zu verteilen bzw, zu dispergieren. Die erwärmte Formoberfläche dient
dadurch dazu, die Wachs-Dispersionsmittel zu verdunsten und einen
dünnen Überrest zu
hinterlassen, der sich nicht im feinen Narbendetail der ersten Formoberfläche 34 ansammelt.
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Der
lichtbeständige
aliphatische thermoplastische Polyurethan-Bestandteil und der geblockte, wärmeaktivierte
aliphatische Diisocyanat-Bestandteil können beständig vorgemischt und vor dem
Aufbringen bei Raumtemperatur über
längere
Zeiträume
gelagert werden. Die wasserdispergierte Zusammensetzung 36 kann
aus einer kolloidalen Lösung
von Harzpartikeln gebildet werden, die in Wasser zugegeben wird,
um die Harzpartikel im Wasser zu dispergieren.
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Sobald
das vernetzte lichtbeständige
Polyurethan auf der ersten Formoberfläche 34 gebildet worden
ist, wird es im Wesentlichen getrocknet, während es auf der ersten Formoberfläche 34 festgehalten
wird, um die Außenschicht 26 zu
erhalten. Wie in 5 dargestellt,
kann das vernetzte lichtbeständige Polyurethan
einer Wärmequelle 40 ausgesetzt
werden, um eine Verdunstung des Wassers und mindestens eines Teils
des Lösemittels
daraus hervorzurufen und die Harzpartikel zu verschmelzen, um dadurch
die Außenschicht 26 mit
einer zur ersten Formoberfläche 34 benachbarten äußeren Oberfläche 26a zu
bilden. Obwohl dies in 5 nicht
dargestellt ist, ist eine solche Wärmequelle 40 vorzugsweise
mit der ersten Form 32 integriert und erwärmt bevorzugt
die erste Formoberfläche 34 auf
eine erhöhte
Temperatur von etwa 65,9°C
(150°F)
oder mehr. Mindestens ein Teil der äußeren Oberfläche 26a der
Außenschicht 26 weist
das gewünschte
Berührungsgefühl, die
gewünschte
Farbe und die narbenartige Ausbildung der Paneelstruktur 10 auf.
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Allgemein
hat die Außenschicht 26 eine
Dicke in einem Bereich von etwa 0,0025 cm bis etwa 0,0038 cm (das
heißt
von etwa 1,0 mils bis etwa 1,5 mils; oder von etwa 0,001 Inch bis
etwa 0,0015 Inch).
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Das
spezielle ausgewählte
Färbungsmittel kann
die gewünschte
Dicke der Außenschicht 26 unmittelbar
beeinflussen. Dunklere Farben, wie Grau- und Braunfärbungen,
erfordern gewöhnlich
nur eine verhältnismäßig geringe
Filmdicke, um die Farbe der verborgenen Innenschicht 28 zu überdecken,
während
hellere Farben, wie Rot- und Blaufärbungen, gewöhnlich die
Bereitstellung einer im Verhältnis
größeren Dicke
vorgeben, um eine opake undurchsichtige Außenschicht 26 zu erhalten,
welche die Innenschicht 28 vor dem Blick verbirgt und die
Innenschicht vor einer Zersetzung durch Sonnenlicht schützt.
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Als
Nächstes
wird die Polyurethanelastomer-Innenschicht 28, wie in 6 dargestellt, gebildet,
indem eine schnell reagierende Zusammensetzung 42 auf die
innere Oberfläche 26b der
Außenschicht 26 gesprüht wird,
während
die Außenschicht 26 in einem
im Wesentlichen trockenen Zustand auf der ersten Formoberfläche 34 festgehalten
wird. Die schnell reagierende Zusammensetzung 42 enthält mindestens
ein aromatisches Polyisocyanat und mindestens ein Polyol, die miteinander
reagieren, um die nicht lichtbeständige Polyurethanelastomer-Innenschicht 28 zu
bilden. So, wie er hier verwendet wird, umschließt der Begriff Elastomer jegliche
flexible Polymerzusammensetzung, die unter mäßiger Zugspannung dehnbar ist
und zusammendrückbar
ist und eine verhältnismäßig hohe
Zugfestigkeit und ein Gedächtnis
besitzt, so dass das Elastomer bei Entlastung der Zugspannung in
seine ursprünglichen Abmessungen,
oder in zu seinen ursprünglichen
Abmessungen im Wesentlichen gleichartige Abmessungen, zurückkehrt
und diese wiedererlangt.
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Zusätzlich dazu,
dass er mit dem Polyisocyanat-Bestandteil reagiert, kann der Polyol-Bestandteil
der schnell reagierenden Zusammensetzung 42 eine oder mehr
seitenständige
funktionelle Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen enthalten, die mit nicht-umgesetzten funktionellen
Gruppen von geblocktem wärmeaktiviertem
aliphatischem Diisocyanat in der Außenschicht 26, welche
nicht mit den seitenständigen
funktionellen Gruppen des Polyurethans der Außenschicht 26 reagiert
haben, hochgradig reaktiv sind. Nicht-umgesetzte funktionelle Gruppen
des geblockten wärmeaktivierten
aliphatischen Diisocyanats dringen in die Innenschicht 28 ein
und reagieren mit den seitenständigen
funktionellen Gruppen des Polyol-Bestandteils. Infolgedessen vernetzt
das geblockte wärmeaktivierte
aliphatische Diisocyanat das Polyurethan der Außenschicht 26 mit dem
Polyurethanelastomer der Innenschicht 26 und bildet dadurch
eine chemische Grenzflächenbindung zwischen
der inneren Oberfläche 26b der
Außenschicht 26 und
der benachbarten äußeren Oberfläche 28a der
Innenschicht 28. So erhält
man die geschichtete Verbundstruktur 24. Wenn die Vernetzung unter
optimalen Vernetzungsbedingungen ausgeführt wird, kann die Grenze zwischen
der Außen-
und Innenschicht 26 und 28 der geschichteten Verbundstruktur 24 visuell
undeutlich werden, so dass an der Grenzfläche der beiden Schichten eine Übergangsphase
erscheint. So, wie hier erwähnt,
umschließt eine
chemische Grenzflächenbindung
solche Vernetzungsreaktionen, bei denen die Grenzflächengrenze zwischen
der Außen-
und Innenschicht 26 und 28 visuell undeutlich
ist und die Schichten 26 und 28 untrennbar sind,
ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Allgemein
sollten Vorkehrungen getroffen werden, um sicherzustellen, dass
eine ausreichende chemische Grenzflächenbindung zwischen der inneren
Oberfläche 26b der
Außenschicht 26 und
der benachbarten äußeren Oberfläche 28a der
Innenschicht 28 erzielt wird. Zum Beispiel kommt, sobald das
geblockte wärmeaktivierte
aliphatische Diisocyanat durch Wärme
aktiviert wird, die Vernetzungsreaktion zwischen dem wärmeaktivierten
lichtbeständigen
Diisocyanat und den seitenständigen
reaktiven Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen des thermoplastischen
Polyurethans innerhalb von Minuten zum Abschluss, wobei das wärmeaktivierte
lichtbeständige
Diisocyanat im Wesentlichen ohne restliche reaktive Stellen zum
Vernetzen des Polyurethans der Außenschicht 26 mit
dem Polyol-Bestandteil
der schnell reagierenden Zusammensetzung 42 bleibt. Die schnell
reagierende Zusammensetzung 42 sollte deshalb im Allgemeinen
innerhalb von sechs Minuten, und vorzugsweise innerhalb von zwei
bis vier Minuten, nach Beendigung des Aufbringens der wasserdispergierten
Zusammensetzung 36 auf die erste Formoberfläche 34 gesprüht werden.
Spürbare
Verzögerungen
beim Aufsprühen
der schnell reagierenden Zusammensetzung 42 können auch
bewirken, dass sich die Außenschicht 26 zusammenzieht
und von der ersten Formoberfläche 34 abschält. Infolge des
Abschälens
wird die Außenschicht 26 keine
Gestalt aufweisen, welche die Ausbildung der ersten Formoberfläche 34 ergänzt, und
der gesamte Verbundstoff 24 wird als Abfall weggeworfen
werden müssen.
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Wenn
man auf der anderen Seite dem thermoplastischen Polyurethan der
wasserdispergierten Zusammensetzung 36 nicht ausreichend
Zeit zum Vernetzen gibt, bevor die schnell reagierende Zusammensetzung 42 darauf
aufgesprüht
wird, kann der Polyol-Bestandteil der schnell reagierenden Zusammensetzung 42 mit
nicht-umgesetzten seitenständigen
funktionellen Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen des Polyurethans
der Außenschicht 26 eine Kondensationsreaktion
eingehen und Ester- bzw. Etherverbindungen
bilden. Obwohl eine gewisse Bildung dieser Verbindungen die chemische
Grenzflächenbindung
in vorteilhafter Weise verbessern kann, setzen die Kondensationsreaktionen
Wasser frei, das in Überschussmengen
als Treibmittel wirken kann und in unerwünschter Weise die Porosität der Innenschicht 28 vergrößern und
die chemische Grenzflächenbindung
stören
kann.
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Die
chemische Grenzflächenbindung
wird weiter verbessert, indem man die Komponenten der hochgradig
reaktiven Polyol- und Polyisocyanat-Bestandteile der schnell reagierenden
Zusammensetzung 42 in getrennten Speicherkammern lagert
und diese Komponenten so auf die innere Oberfläche 26b der Außenschicht 26 sprüht, dass
ein Kontakt zwischen diesen Komponenten vermieden wird, bis das Aufsprühen durchgeführt wird.
Ein geeigneter Doppeldüsen-Sprühmechanismus
zur Erfüllung
dieser Aufgabe ist in den U.S. Patenten Nr. 5,028,006 und 5,071,683
offenbart. Indem man diese Komponenten bis unmittelbar vor dem Aufsprühen getrennt
hält, reagiert
ein Teil des Polyols mit dem wärmeaktivierten aliphatischen
Diisocyanat (und den seitenständigen funktionellen
Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen des thermoplastischen Polyurethans)
bevor das gesamte Polyol vollständig
mit dem Polyisocyanat reagieren kann.
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Wegen
der hygroskopischen Natur des aromatischen Polyisocyanat-Bestandteils der
schnell reagierenden Zusammensetzung 42 ist es außerdem wichtig,
dass die Außenschicht 26 und
die umgebende Atmosphäre
(z. B. Feuchtigkeitsgehalte) während dieses
Aufsprühschrittes
im Wesentlichen trocken sind, um eine starke chemische Grenzflächenbindung
zu erhalten. Obwohl kleine Mengen Feuchtigkeit in der Außenschicht 26 zurückgehalten
werden können,
sollte die Konzentration von solcher Feuchtigkeit nicht so groß sein,
dass sie es dem Wasser gestattet, die Reaktion zwischen dem Polyol-
und Polyisocyanat-Bestandteil der schnell reagierenden Zusammensetzung 42 wesentlich
zu stören.
Unerwünschte
Reaktionen zwischen dem Wasser und dem Polyisocyanat können das
stöchiometrische Gleichgewicht
zwischen dem Polyol und dem Polyisocyanat stören, was auf der geschichteten
Verbundstruktur 24 örtlich
begrenzte nicht-umgesetzte
Polyolablagerungen hinterlässt.
Das Wasser kann auch als Treibmittel wirken, wobei es mit dem Polyisocyanat reagiert
und Kohlendioxid freisetzt, das der Innenschicht 28 eine
porige oder zellige Struktur verleiht. Übermäßige Mengen an Wasser können auch
die durch das Polyol und die restlichen reaktiven Stellen des geblockten
wärmeaktivierten
aliphatischen Diisocyanats bewirkte Vernetzungsreaktion nachteilig
stören.
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Die
schnell reagierende Zusammensetzung 42 wird vorzugsweise
bei einer erhöhten
Temperatur auf die innere Oberfläche 26a der
Außenschicht 26 aufgebracht,
um diese Ziele zu fördern.
Geeignete Temperaturen, auf welche die erste Formkomponente 32 erwärmt werden
kann, reichen zum Beispiel und ohne Einschränkung von etwa 60°C (140°F) bis etwa
71,1°C (160°F).
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Im
Allgemeinen kann die Innenschicht 28 eine Dicke in einem
Bereich von etwa 0,10 cm bis etwa 0,15 cm (das heißt von etwa
40 mils bis etwa 60 mils; oder von etwa 0,040 Inch bis etwa 0,060
Inch) aufweisen.
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7 veranschaulicht den nächsten Schritt der
vorliegenden Erfindung. Wie in 7 dargestellt, wird
die geschichtete Verbundstruktur 24 von der ersten Formoberfläche 34 entformt
(d. h. entfernt). Eine solche Entformung kann bei einer Formtemperatur von
zum Beispiel etwa 60°C
(etwa 140°F)
stattfinden. Die Entformung des Elastomers auf aromatischer Grundlage
ist eine viel weniger arbeitsintensive, mühsame und zeitaufwendige Aufgabe
als die Entformung eines Elastomers auf aliphatischer Grundlage.
Die Bildung von Tränen
in der geschichteten Verbundstruktur 24 oder eine übermäßige Dehnung
desselben während
des Entformens, welche die geschichtete Verbundstruktur 24 irreversibel
ruinieren und dadurch ein Wegwerfen derselben als Abfall erforderlich
machen können,
tritt bei dem Elastomer auf aromatischer Grundlage mit sehr viel
geringerer Wahrscheinlichkeit auf. Solche Entformungsprobleme und
-unzulänglichkeiten
werden durch die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung weitgehend beseitigt,
da das Elastomer auf aromatischer Grundlage vorteilhafte physikalische
Eigenschaften besitzt und da die chemische Grenzflächenbindung
zwischen der Außenschicht 26 und
der Innenschicht 28 die geschichtete Verbundstruktur 24 verstärkt, indem sie
einer Trennung der Außen-
und Innenschicht 26 und 28 während Entformungsvorgängen entgegenwirkt.
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Um
die Ablösbarkeit
von der ersten Formoberfläche 34 weiter
zu verbessern, kann die Formoberfläche 34 mit einem Trennmittel
vorbehandelt werden. Beispielhafte Trennmittel schließen, ohne
Einschränkung,
mikrokristalline Wachs-Formtrennmittel mit hohem Molekulargewicht
ein, wie Chem-Trend PRC 7140, das von Chem-Trend, Inc., Howell, Michigan, geliefert
wird, oder PRC 2006, das ebenfalls von Chem-Trend geliefert wird.
Diese Formtrennmittel trocknen auf einer erwärmten Form schnell innerhalb von
etwa 5 bis etwa 10 Sekunden und bilden eine Ablöse- bzw. Trennsperrschicht
zwischen der genarbten Formoberfläche 34 und der Außenschicht 26.
Man sollte acht geben, die Anhäufung
des Formtrennmittels auf der ersten Formoberfläche 34 oder einen übermäßig hohen
Feststoffgehalt im Mittel zu vermeiden, da eine derartige Anhäufung oder
ein derartiger übermäßig hoher
Feststoffgehalt dazu führt,
dass die Zwickel der dekorativen genarbten Formoberfläche 34 aufgefüllt werden,
wodurch der äußeren Oberfläche der
Paneelstruktur 10 das Aussehen der feinen haarartig genarbten
Ausbildung der Formoberfläche 34 genommen
wird. Weiter kann die Verwendung von übermäßig viel Formtrennmitteln bewirken,
dass die Mittel während
des Entformens der Verbundstruktur 24 von der ersten Formoberfläche 34 auf
die geschichtete Verbundstruktur 24 übertragen werden, womit nach
dem Entformen zusätzliche
Waschbeseitigungs- und Trocknungsschritte erforderlich werden, und
folglich einen Verlust an Produktivität.
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Nachdem
sie von der ersten Formoberfläche 34 entformt
worden ist, kann die geschichtete Verbundstruktur 24, welche
die Kombination aus der Außen-
und Innenschicht 26 und 28 enthält, mit
einer Lichtquelle (nicht dargestellt) auf Fehler untersucht werden,
während
die geschichtete Verbundstruktur 24 auf einem durchsichtigen
Substrat (nicht dargestellt) angeordnet ist. Solche Fehler sind
gewöhnlich als
Schönheitsfehler
in der Außenschicht 26 vorhanden
und können
das Vorhandensein von Tränen
einschließen,
sowie zerreißbaren
Teilen, denen es an ausreichenden Dicken fehlt, um die mit dem Entformen
oder den weiteren Verarbeitungsschritten, speziell dem Vereinigungsschritt,
verbundenen Beanspruchungen auszuhalten. Wenn sie kleiner und isoliert
sind, können
derartige örtlich
begrenzte Fehler durch nachträgliches
Aufbringen von zusätzlicher wasserdispergierter
Zusammensetzung 36 auf die Rückseite 28b der Innenschicht 28 geheilt
werden. Zusätzlich
können
kleinere Tränen
oder dünne
Bereiche unter Verwendung von thermoplastischem, wärmeformbarem
Polyurethanband auf der Rückseite 28b der
geschichteten Verbundstruktur 24 repariert werden. In vorteilhafter
Weise wird dadurch die Notwendigkeit vermieden, dass die gesamte
geschichtete Verbundstruktur 24 weggeworfen werden muss. Als
Warnhinweis ist jedoch eine nachträgliche Reparatur der Oberfläche 26a durch
Sprühauftrag
allgemein unerwünscht,
und ihr Einsatz sollte minimiert werden, um örtlich begrenzte kleinere Fehler
zu korrigieren, da eine nachträgliche
Reparatur durch Sprühauftrag
das genarbte lederartige Erscheinungsbild der äußeren Oberfläche 26a der
Außenschicht 26,
das von der ersten Formoberfläche 34 übernommen
wird, zunichte machen kann.
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Wie
unten ausführlicher
erörtert
wird, müssen
die Schritte des Entformens der geschichteten Verbundstruktur 24 von
der ersten Formoberfläche 34 und
des Untersuchens derselben nicht unmittelbar im Anschluss an die
Bildung der geschichteten Verbundstruktur 24 ausgeführt werden.
Zum Beispiel kann die geschichtete Verbundstruktur 24 als
Option bis zur Fertigstellung der Paneelstruktur 10 gegen
die erste Formoberfläche 34 anliegend
festgehalten werden.
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Nachdem
die geschichtete Verbundstruktur 24 von der ersten Formoberfläche 34 entformt
und untersucht worden ist, wird die geschichtete Verbundstruktur 24 auf
einer zweiten Formoberfläche 52 eines
zweiten Formteils 50 platziert. Wie in 8 dargestellt, ist die zweite Formoberfläche 52 ebenfalls
gestaltet, um eine komplementäre
Ausbildung für
die Außenschicht 26 festzulegen.
Während
die Verbundstruktur 24 auf der zweiten Formoberfläche 52 angeordnet
ist, wird dann eine reaktive Mischung 44 zur Bildung eines
halbstarren porigen Schaumstoffs, wie eines halbstarren porigen
Polyurethanschaums, auf eine innere Oberfläche 28b der Innenschicht 28 aufgebracht,
um die Zwischenschicht 30 zu bilden. Die reaktive Mischung 44 kann
zum Beispiel unter Verwendung von Hochdruckaufprallmischen und einer
Mischkopfdüse
aufgebracht werden. Während
des Aufbringens der reaktiven Mischung wird die zweite Formkomponente 50 im
Allgemeinen auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 35°C bis etwa
45°C und
bevorzugter in einem Bereich von etwa 35°C bis etwa 40°C erwärmt. Die
Mischung 44, die typischerweise verhältnismäßig viskos ist, befindet sich
während
des Aufbringens auf die zweite Formkomponente 50 in einem
Reaktions-Übergangszustand
und beginnt innerhalb von Sekunden nach dem Aufbringen aufzuschäumen.
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Obwohl
die gewünschte
Dicke der Zwischenschicht teilweise von der beabsichtigten Verwendung der
Paneelstruktur 10 abhängt,
kann die Zwischenschicht im Allgemeinen eine Dicke in einem Bereich von
etwa 5 mm bis etwa 12 mm aufweisen.
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Sobald
die reaktive Mischung 44 auf die auf der zweiten Formoberfläche 52 befindliche
geschichtete Verbundstruktur 24 aufgebracht worden ist,
wird ein das vorgeformte steife Substrat 22 tragendes drittes
zusammenwirkendes Formteil oder Formkomponente 60 in zusammenwirkende
Beziehung mit der zweiten Formkomponente 50 bewegt, wie
in 9 dargestellt. Die
dritte Formkomponente 60 weist eine dritte Formoberfläche 62 (8) auf, die gestaltet ist, um
die innere Oberfläche 10b der
Paneelstruktur 10 festzulegen. Danach wird die reaktive
Mischung 44 geschäumt
und ausgehärtet,
bevorzugt unter Wärme bei
ungefähr
43,3°C (110°F) und einem
selbst erzeugten Hohlraumdruck von etwa 0,8 atm, um die Zwischenschicht 30 zu
bilden. Der halbstarre porige Polyurethanschaum dient dazu, die
geschichtete Verbundstruktur 24 mit dem auf einer dritten
Formoberfläche 62 angeordneten
vorgeformten Substrat 22 zu vereinigen. Die Paneelstruktur,
welche die Kombination aus der geschichteten Verbundstruktur 24, dem
Substrat 22 und der Zwischenschicht 30 einschließt, kann
dann aus den Formteilen 50 und 60 entnommen werden,
und zusätzliche
Bestandteile, wie das Teppichstück 20,
können
befestigt werden.
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In
ihren breitesten Aspekten können
mehrere Veränderungen
und Abwandlungen an dem oben erörterten
Artikel realisiert werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung
zu verlassen. Zum Beispiel kann die geschichtete Verbundstruktur 24 und/oder
die Zwischenschicht 30 aus dem verborgenen unteren ebenen
Teppichaufnahmeteil 18 (oder anderen Teilen, die vom Fahrzeuginneren
her verborgen sind, wenn die Paneelstruktur im Kraftfahrzeug montiert
ist) der in 1 gezeigten
resultierenden Paneelstruktur 10 weggelassen werden. Der
untere ebene Teppichaufnahmeteil 18 ist dadurch gekennzeichnet,
dass er das steife Substrat 22 und wahlweise die Zwischenschicht 30 unmittelbar
benachbart zum Teppichstück 20 aufweist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung kann ein nicht-schäumbarer Kleber gewählt werden,
um die geschichtete Verbundstruktur 24 mit dem Verstärkungssubstrat 22 zu
vereinigen.
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Gemäß einer
noch anderen Ausführungsvariante
können
mehrere wasserdispergierte Zusammensetzungen, die verschiedene Färbungsmittel enthalten,
jeweils auf verschiedene Teile der Paneelstruktur aufgebracht werden,
um diskret maskierte Farben zu erzeugen. Dort, wo die ausgewählte Farbe oder
Farben gewechselt werden sollen, hat man in der Praxis gefunden,
dass eine minimale Ausfallzeit (in der Größenordnung von etwa 0,5 Stunden) üblich ist.
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Gemäß einer
noch anderen Ausführungsvariante
kann die Außenschicht 26 ein
Doppelfarbton- oder Mehrfachfarbton-Erscheinungsbild zeigen. Diese Ausführungsvariante
kann zum Beispiel durch abrasive Behandlung eines Teils der Formoberfläche des
Werkzeugs erzielt werden. Je stärker
das Ausmaß der
abrasiven Behandlung ist, um so matter ist das Erscheinungsbild
der Außenschicht 26.
Ein Doppelfarbton-Erscheinungsbild
kann speziell für
Instrumententafeln wünschenswert
sein, weil im Allgemeinen der obere Bereich einer Instrumententafel
einen geringen Glanz aufweisen sollte, um Reflexionsvermögen und
verschleiernde Blendung zu vermindern.
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An
dem oben erörterten
Verfahren können ebenfalls
mehrere Veränderungen
und Abwandlungen durchgeführt
werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zum Beispiel, wie oben erwähnt,
kann die geschichtete Verbundstruktur 24 in der ersten
Formkomponente 32 festgehalten werden, statt sie für den Vereinigungsschritt
zu entformen und zu einer zweiten Formkomponente 50 zu überführen. Gemäß einer
anderen Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung kann die geschichtete Verbundstruktur 24 zur
ersten Formkomponente 32 zurückgeführt werden, nachdem sie untersucht und
behandelt worden ist.
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Gemäß einer
anderen Variante der vorliegenden Erfindung kann eine sekundäre oder
alternative Wärmequelle
verwendet werden, um die Reaktion zwischen dem lichtbeständigen aliphatischen thermoplastischen
Polyurethan und dem geblockten wärmeaktivierten
aliphatischen Diisocyanat zu aktivieren. Zum Beispiel kann die wasserdispergierte
Zusammensetzung 36 vorgewärmt werden, bevor sie auf die
erste Formoberfläche 34 aufgebracht
wird, so dass die erste Formoberfläche 34 nicht erwärmt werden
muss, um die Reaktion zwischen dem wärmeaktivierten aliphatischen
Diisocyanat und dem lichtbeständigen
aliphatischen thermoplastischen Polyurethan einzuleiten.
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Gemäß noch einer
anderen Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung kann die reaktive Mischung 44 zur
Bildung des halbstarren porigen Polyurethanschaums 30 statt
auf die geschichtete Verbundstruktur 24 auf die Oberfläche des
Substrats 22 aufgebracht werden. Alternativ können die
zweite und dritte Formkomponente 50 und 60 zusammenwirkend
in Eingriff gebracht werden, um zwischen der inneren Oberfläche 28b der
Innenschicht 28 und der äußeren Oberfläche des
Substrats 22 einen Hohlraum zu bilden, wobei die reaktive
Mischung 44 danach zwischen das steife Substrat 22 und
den Verbundstoff 24 injiziert wird.
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Um
den dekorativen Kraftfahrzeuginnenausstattungsartikel und das Verfahren
der vorliegenden Erfindung weiter zu erhellen, gibt die nachfolgende Erörterung
geeignete und bevorzugte Bestandteile und Bedingungen zur Herstellung
des Artikels der vorliegenden Erfindung und zur Ausführung des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung an.
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Die
zur Herstellung der Außenschicht 26 verwendete
wasserdispergierte Zusammensetzung 36 umfasst mindestens
ein lichtbeständiges
aliphatisches thermoplastisches Polyurethan, mindestens ein gewünschtes
Färbungsmittel
und mindestens ein geblocktes wärmeaktiviertes
aliphatisches Diisocyanat. Das lichtbeständige aliphatische thermoplastische
Polyurethan wird vorzugsweise aus einem aliphatischen thermoplastischen
Polyurethan mit hohem Molekulargewicht hergestellt, das seitenständige funktionelle
Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen enthält, die mit dem geblockten
wärmeaktivierten
aliphatischen Diisocyanat chemisch reagieren. Das mittlere Molekulargewicht
des thermoplastischen Polyurethans liegt vorzugsweise in einem Bereich
von etwa 5000 bis etwa 7000 und bevorzugter bei etwa 6000. Eine
beispielhafte wasserdispergierte Zusammensetzung, die ein thermoplastisches
Polyurethan und geblocktes wärmeaktiviertes
aliphatisches Diisocyanat enthält,
kann unter der Handelsbezeichnung PROTOTHANE WR. WATER BASED IN-MOLD COATING
von der Titan Finishes Corp., Detroit, Michigan erhalten werden.
Das aliphatische Diisocyanat kann zyklisch oder nicht-zyklisch sein,
sollte jedoch lichtbeständig
sein. So wie hier erwähnt,
umschließen
Diisocyanate auch Vorpolymerisate mit zwei -NCO-Gruppen, die mit
dem thermoplastischen Polyurethan reagieren. Ein beispielhaftes
aliphatisches Diisocyanat ist Hexamethylendiisocyanat (HMI), das
von Bayer, Rhone Poulenc und Nippon Polyurethane erhältlich ist.
Das Gewichtsverhältnis von
thermoplastischem Polyurethan zu geblocktem wärmeaktiviertem aliphatischem
Diisocyanat beträgt etwa
8 zu 1 bezüglich
Volumen, obwohl dieses Verhältnis
wegen der Auswahl des thermoplastischen Polyurethans und des Diisocyanats
etwas variieren kann.
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Die
wasserdispergierte Zusammensetzung 36 kann hergestellt
werden, indem man die thermoplastische Polyurethankomponente als
kolloidale Lösung
in einem Lösemittel,
wie N-Methylpyrrolidon, bereitstellt, dann die Lösung durch Hinzufügen von Wasser,
dem Färbungsmittel
und konventionellen Additiven, falls gewünscht, dispergiert. Ausreichend Wasser
(etwa 61,1 Gewichts) kann hinzugefügt werden, so dass die Lösemittelkonzentration
in der wasserdispergierten Zusammensetzung 36 vor dem Trocknen
etwa 8,1 Gewichts-% beträgt.
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Die
wahlweise vorgesehenen Additive in der wasserdispergierten Zusammensetzung 36 können, ohne
Einschränkung,
eine beliebige Kombination der Folgenden einschließen: Wärme- und
Ultraviolettlicht-Stabilisatoren, pH-Stabilisatoren, um einen alkalischen
Dispersionszustand aufrechtzuerhalten, Weichmacher, Antioxidantien,
Mattierungsmittel, oberflächenaktive
Stoffe, kolloidale Schutzstoffe, um Partikel in Suspension zu halten,
Kohlenstoffruß,
thixotrope Mittel (z. B. Hydroxymethylcellulose), und Füllstoffe,
wie Tonpartikel.
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Die
wasserdispergierte Zusammensetzung 36 kann zum Beispiel
etwa 25 Gewichts-% bis etwa 35 Gewichts-% Feststoffe und bevorzugter
etwa 29 Gewichts-% Feststoffe, etwa 10 Gewichts-% bis etwa 80 Gewichts-%
Wasser und bevorzugter etwa 61 Gewichts-Wasser und etwa 6 bis 10 Gewichts-%
Lösemittel
enthalten, je nach gewünschter
Farbe und Additiven. Eine nicht ausreichende Menge Wasser in der
Zusammensetzung 36 kann die Viskosität der Zusammensetzung 36 beeinträchtigen
und somit das Aufbringen der wasserdispergierten Zusammensetzung 36 auf
die Formoberfläche 34 beeinträchtigen. Andererseits
kann eine übermäßig große Wassermenge
in der Zusammensetzung 36 das Sprühvermögen und die Beschichtungsleistung
der wasserdispergierten Zusammensetzung 36 signifikant
verändern
und die zum Trocknen der Außenschicht 26 benötigte Zeit
verlängern.
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Zu
der thermoplastischen Polyurethanlösung wird eine Lösung des
geblockten wärmeaktivierten aliphatischen
Diisocyanats hinzufügt,
die als Lösemittel
zum Beispiel 1-Methyl-2-pyrrolidon
und/oder 4-Hydroxy-4-methyl-2-pentanon enthalten kann. Eine Erörterung
von geblockten Isocyanaten ist in Practical Chemistry of Polyurethanes
and Diisocyanates, Akron Polymer Laboratories, David Russell (1991)
enthalten. Das geblockte wärmeaktivierte
aliphatische Diisocyanat wird bis zum Gebrauch vorzugsweise bei
Raumtemperatur gehalten und vor Wärme geschützt. Wenn es durch die Wärme, wie beispielsweise
die Wärme
des Werkzeugs während des
Sprühauftrags,
beeinflusst wird, reagiert das geblockte wärmeaktivierte aliphatische
Diisocyanat mit den Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen des thermoplastischen
Polyurethans, um das thermoplastische Polyurethan mit sich selbst
oder mit Polyol-Bestandteilen der schnell reagierenden Zusammensetzung 42 zu
vernetzen.
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Beispielhafte
Polyisocyanate, die für
die schnell reagierende Zusammensetzung 42 ausgewählt werden
können,
die verwendet wird, um die Innenschicht 28 herzustellen,
schließen
Diisocyanate mit aromatischen geschlossenen Ringstrukturen ein, wie
Diphenylmethandiisocyanat-Vorpolymerisat (MDI-Vorpolymeriasat) ein, das unter der
Handelsbezeichnung ELASTOLIT M50555T, ISOCYANATE, NPU U05275 von
der BASF Corp., Wyandotte, MI erhältlich ist, oder Diphenylmethan-4,4'-Diisocyanat (MDI) oder gemischte Isomere
von MDI oder Mischungen der obigen, die von BASF oder Dow Chemical
Corp., Midland, MI, Mobay (Bayer) Chemical Corp., Baytown, Texas
oder von ICI America, Geismar, LA, erhältlich sind. Die oben erwähnten nicht-lichtbeständigen aromatischen
Polyisocyanate sind zur Verwendung in der Innenschicht sehr wünschenswert,
und zwar in Anbetracht der höheren
Reaktivitätsgeschwindigkeit
und Fertigstellung der Eigenschaftsentwicklung und besserer physikalischer Eigenschaften
(z. B. Zugfestigkeit, Dehnung und Reißfestigkeit) dieser nicht-lichtbeständigen aromatischen
Polyiisocyanate im Vergleich zu lichtbeständigen Isocyanaten auf aliphatischer
Grundlage, wie Isophoron-Diisocyanaten, bei denen die -NCO-Gruppen
infolge ihrer räumlichen
Anordnung an beiden Enden des Moleküls sterisch behindert sind.
Im Gegensatz dazu weisen die bei dieser Erfindung verwendeten aromatischen
Diisocyanate vorzugsweise -NCO-Gruppen auf, die direkt am aromatischen
Ring angebracht sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
ergeben die aromatischen Diisocyanate wegen der Anordnung und Reaktionsfähigkeit
der -NCO-Gruppen auf der aromatischen Ringstruktur (z. B. bei Diphenylmethandiisocyanat)
und der Verfügbarkeit
der -NCO-Gruppen für
die Reaktion mit den Wasserstoffspendern vom -OH-Typ, die sich auf
der organischen Kette der Polyole der schnell reagierenden Zusammensetzung 42 befinden,
schnellere Reaktionsgeschwindigkeiten.
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Geeignete
Polyole für
diese schnell reagierende Zusammensetzung 42 schließen, ohne
Einschränkung,
Polyetherpolyole ein, die mittlere Molekulargewichte in einem Bereich
von etwa 200 bis etwa 2000 aufweisen und eine oder mehr seitenständige Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen
enthalten, zusätzlich
zu primären
Hydroxylgruppen, welche mit nicht-umgesetzten funktionellen -NCO-Gruppen
des geblockten wärmeaktivierten
aliphatischen Diisocyanats und den seitenständigen funktionellen Hydroxyl- und/oder Carboxylgruppen
des Polyurethans der Außenschicht 26 chemisch
reagieren können.
Ein beispielhaftes Polyol ist ELASTOLIT M50555R NPU U05274 von der
BASF Corp., Wyandotte, MI.
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Die
schnell reagierende Zusammensetzung 42 kann auch geeignete
Additive enthalten, einschließlich,
als Beispiel und ohne Einschränkung, eine
beliebige Kombination der Folgenden: Wärme- und Ultraviolettlicht-Stabilisatoren,
pH-Stabilisatoren, Antioxidantien, Mattierungsmittel, oberflächenaktive Stoffe,
Kohlenstoffruß,
Kettenverlängerer
(z. B. Ethylenglykol), thixotrope Mittel (z. B. amorphes Siliziumdioxid),
Füllstoffe,
wie Tonpartikel, und Katalysatoren, wie Zinnkatalysatoren (z. B.
Dibutylzinndilaurat).
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Verschiedene
Mischungen von Polyetherpolyolen und Polyisocyanaten mit geeigneten
Elastizitätseigenschaften
können
verwendet werden, um den halbsteifen porigen Polyurethanschaum der
Zwischenschicht 30 zu bilden. Zum Beispiel kann die Polyisocyanatmischung
Methylendiisocyanat enthalten. Der halbsteife porige Polyurethanschaum
kann ebenfalls geeignete Additive enthalten, einschließlich, als
Beispiel und ohne Einschränkung,
eine beliebige Kombination der Folgenden: oberflächenaktive Stoffe, Antioxidantien,
Füllstoffe,
Stabilisatoren, Katalysatoren, wie Zinnkatalysatoren (z. B. Dibutylzinndilaurat)
und Amine (z. B. Diethanolamin) sowie kleine Mengen an Schäumungsmitteln,
wie Wasser. In dieser Hinsicht wird angemerkt, dass die Kondensationsreaktion
zwischen den Mischungen von Polyolen und Polyisocyanaten Wasser
freisetzt, das mit dem Polyisocyanat reagiert und Kohlendioxid erzeugt
und dadurch der Zwischenschicht 30 die porige Struktur
verleiht. Dementsprechend kann ein leicht stöchiometrischer Überschuss
an Polyol vorgesehen werden, um den halbsteifen porigen Polyurethanschaum
zu bilden.
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Das
steife Substrat 22 kann aus einem beliebigen Material ausgewählt werden,
das die geforderte Festigkeit besitzt, um die Außenschicht 26, die
Innenschicht 28 und die Zwischenschicht 30 zu
verstärken
und zu montieren. Geeignete Materialien schließen Polyolefine, wie Polypropylen
und Ethylen-Propylen-Copolymere, thermoplastische Olefine (TPOs) und
thermoplastische Polyolefin-Elastomere (TPEs) ein. In einigen Fällen, wo
sogar noch höhere
Leistungsfähigkeiten
gefordert werden, können
technische Thermoplaste gewählt
werden. Diese schließen Spritzguss-Thermoplaste,
wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat (PC), PC/ABS-Legierung, thermoplastisches
Polyurethan (TPU), Styrol-Maleinsäureanhydrid
(SMA) und reaktionsinjektionsgegossene Polyurethane (RRIM) ein.
Andere Materialien, wie Metalle, Metall-Legierungen, Holz-Faser-Verbundstoffe
oder eine beliebige Kombination derselben können ebenfalls verwendet werden.
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Das
Verstärkungssubstrat 22 kann
wahlweise auch Verstärkungs-Nanopartikel enthalten,
umfassend plättchenförmige Mineralien,
die in gewünschten
Verhältnissen
im gewünschten
Polymer fein verteilt sind. Die Bestandteile können durch dem Fachmann bekannte
allgemeine Techniken gemischt werden. Zum Beispiel können die
Bestandteile gemischt und dann in Mischern oder Extrudern geschmolzen
werden.
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Zusätzliche
spezielle Verfahren zur Bildung eines Polymer-Verbundstoffs, der darin fein verteilt abgeblätterte geschichtete
Partikel enthält,
sind in den U.S. Patenten Nr. 5,717,000, 5,747,560, 5,698,624 und
in der WO 93/11190 offenbart. Für
zusätzlichen
Hintergrund wird auf die folgenden Dokumente verwiesen: U.S. Patente
Nr. 4,739,007 und 5,652,284.
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Obwohl
das Verfahren der vorliegenden Erfindung oben in Verbindung mit
der Herstellung einer Türverkleidung
verkörpert
worden ist, versteht sich, dass das Verfahren in gleicher Weise
auf andere Paneel- oder Verkleidungsstrukturen anwendbar ist, einschließlich zum
Beispiel Instrumententafeln, Armstützen, Kopfstützen, Bodenkonsolen,
Kniepolster und Handschuhkastenklappen. Eine gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung hergestellte Instrumententafel ist in perspektivischer
und Querschnittsansicht in den 2 bzw. 3 veranschaulicht und ist
allgemein durch die Bezugsziffer 100 gekennzeichnet. Die
Instrumententafel 100 ist in 3 im Querschnitt
dargestellt und schließt
ein Substrat 122, eine Außenschicht 126 und
eine Innenschicht 128 (zusammen eine geschichtete Verbundstruktur,
die allgemein durch die Bezugsziffer 124 gekennzeichnet
ist) sowie eine Zwischenschicht 130 ein.
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Das
nachfolgende nicht einschränkende
Beispiel wird zum Zweck einer weiteren Veranschaulichung dieser
Erfindung dargeboten:
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Ein Überzug eines
kristallinen Wachs-Formtrennmittels (Chem-Trend-PRC 7140 mit Naphtha(Petroleumnaphtha)-Lösemittel
unter Rühren)
in Form einer Mikroschicht, enthaltend 2% Feststoffe, wurde auf
eine genarbte Oberfläche
eines mit Nickel galvanisierten Werkzeugs gesprüht, während das Werkzeug (während des
gesamten Verfahrens) bei einer konstanten Temperatur von 60°C gehalten
wurde. Man ließ das
kristalline Wachs über
einen Zeitraum von 15 Sekunden trocknen, und besprühte es dann
mit einer katalysierten, farbverschlüsselten Zusammensetzung auf
Wasserbasis, umfassend Titan Finishes Corp.'s PROTOTHANE WR. WATER BASED IN-MOLD
COATING (enthaltend 61,1 Gew.-% Wasser und 8,1 Gew.-% Lösemittel),
Hexamethylendiisocyanat von Bayer und eine mitteldunkle neutrale
(oder hellbraune) Pigmentierung, um eine Außenschicht mit einer Dicke
von etwa 0,025 mm zu erzeugen. Das Wasser wurde dann verdunstet,
um einen zusammenhängenden
Film von verschmolzenen Harzpartikeln mit etwas restlichem Lösemittel
zu hinterlassen. Die Form mit der darauf angeordneten Außenschicht
wurde zu einer anderen Station bewegt (was ungefähr 30 Sekunden dauerte), wo
ein zweiteiliges Urethanelastomer auf die Oberfläche der Innenschicht gesprüht wurde.
Ein ELASTOLIT M50555T, ISOCYANATE, NPU U05275-Isocyanat mit einem
Gewichtsprozentanteil von freiem -NCO von 22,6 bis 23,2 und ELASTOLIT
M50555R NPU U05274-Polyol von BASF mit einer Äquivalentmasse von 350 g/mol
und einer Hydroxylzahl von 160 wurden unter Verwendung von Hochdruckdosierpumpen bei
einem 1250 psi Abgabedruck getrennt durch erwärmte Leitungen mit 60°C zugeführt. Das
Gewichtsverhältnis
von Polyol zu Isocyanat betrug 1,9 : 1. Eine Rückkopplungsschleifensteuerung
wurde benutzt, um die beiden Bestandteile in einem Hochdruckaufprallmischer
innerhalb einer Ventilsteuerung zusammenzubringen, und die beiden
reaktionsfähigen
Bestandteile kombiniert, indem sie durch einen nachfolgenden statischen
Mischer und eine Sprühöffnung hindurchgeleitet
werden, die einen Strom von gemischter Flüssigkeit mit kontrollierter
Form mit 20,0 g/s abgibt. Ein Roboterarm diente dazu, die Abgabe aus
der Sprühöffnung in
einer gesteuerten und vorprogrammierten Weise (wie auf dem Fachgebiet
bekannt) anzuordnen, um die Außenschicht
mit einer Innenschicht mit einer Dicke von 1,0 + 0,1 mm zu beschichten.
(Nach dem Aufbringen der Innenschicht werden die Ventilsteuerung
und Sprühöffnung mit
einem nicht entflammbaren Lösemittel
gespült).
Während
des endgültigen
Aushärtungsschritts,
der etwa 90 Sekunden dauert, verbindet sich das Polyurethanelastomer
chemisch mit den restlichen reaktiven Stellen der Außenschicht,
um eine geschichtete Verbundstruktur mit einer chemischen Grenzflächenbindung
zu erzeugen. Die geschichtete Verbundstruktur wird dann entformt
und untersucht.
-
Die
vorangehende ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
ist zu Zwecken der Erläuterung
und Beschreibung bereitgestellt worden. Sie soll nicht erschöpfend sein
oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Ausführungsformen
einschränken.
Für den Fachmann
auf diesem Gebiet werden viele Abwandlungen und Veränderungen
ersichtlich sein. Die Ausführungsformen
wurden gewählt
und beschrieben, um die Erfindung und ihre praktische Anwendung
am Besten zu erläutern,
wodurch es anderen Fachleuten ermöglicht wird, die Erfindung
für verschiedene
Ausführungsformen
und mit verschiedenen Abwandlungen zu verstehen, wie sie für die ins
Auge gefasste spezielle Verwendung geeignet sind.