DE10105813A1

DE10105813A1 - Verfahren zur Herstellung eines thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs

Info

Publication number: DE10105813A1
Application number: DE10105813A
Authority: DE
Inventors: Harri Dittmar
Original assignee: Quadrant Plastic Composites AG
Current assignee: Quadrant Plastic Composites AG
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2002-08-14
Also published as: WO2002062563A1; EP1358060A1; US20040177911A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von thermoplastisch verformbarem, dünnem Halbzeug aus einem thermoplastischen Kunststoff und langen Verstärkungsfasern. Es umfaßt folgende Schritte: DOLLAR A A. Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern werden trocken zu einem Mischvlies vermischt, DOLLAR A B. das Mischvlies wird durch Nadeln verfestigt, DOLLAR A C. das verfestigte Mischvlies wird erwärmt und DOLLAR A D. auf einem Kalander oder in einem Glättwerk zum Halbzeug verpreßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastisch verform baren, faserverstärkten Halbzeugs aus einem Mischvlies, welches Thermoplast fasern und Verstärkungsfasern enthält.

Thermoplastisch verformbare Halbzeuge, welche Verstärkungsfasern, insbeson dere Glasfasern enthalten, werden in zunehmendem Maße zur Herstellung von Formteilen insbesondere für Kraftfahrzeugteile eingesetzt. Derartige "Kunststoff bleche" zeichnen sich durch hohe Zähigkeit und Festigkeit aus. Die GMT-Halb zeuge werden in groß-technischem Maßstab hergestellt durch Zusammenführen von Endlos- Glasmatten und Thermoplast-Schmelzebahnen auf einer Doppel bandpresse. Diese Arbeitsweise erfordert jedoch einen hohen Energieaufwand, da die zähflüssige Schmelze in die Matte eingepreßt werden muß. Fasergehalte von mehr als 50 Gew.-% sind so kaum erreichbar. Da die Glasmatten im allgemeinen aus Faserbündeln aufgebaut sind, ist die Tränkung nie ganz vollständig und gleichmäßig, so daß mikroskopisch inhomogene Bereiche auftreten, was zu hohen Standardabweichungen in den mechanischen Eigenschaften führt.

Ein anderes, technisch angewandtes Verfahren lehnt sich an die Papierherstellung an. Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern werden als wäßrige Aufschläm mung miteinander vermischt, die Aufschlämmung wird abgepreßt und das erhal tene Mischvlies wird getrocknet und heiß verpreßt. Hier muß mit großen Mengen Wasser hantiert werden und das mit Hilfsmitteln verunreinigte Abwasser muß gereinigt werden. Außerdem können hier nur verhältnismäßig kurze Fasern mit einer maximalen Länge von 2,5 cm eingesetzt werden, was unzureichende mechanische Eigenschaften zur Folge hat.

In der DE- A 36 14 533 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen, die eine Verstärkungseinlage enthalten, beschrieben. Dabei wird in Anlehnung an die Textilfasertechnologie ein Mischvlies aus Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern nach dem Krempel- oder Airlay- Verfahren hergestellt und z. B. durch Nadeln verfestigt. Zuschnitte aus diesem Mischvlies werden erwärmt und direkt, ohne vorheriges Konsolidieren, zu drei dimensionalen Formkörpern verpreßt. Eine vollständige Durchtränkung ist hierbei, vor allem bei kompliziert geformtem Bauteilen, jedoch kaum möglich, so daß die mechanischen Eigenschaften der Formteile zu wünschen übrig lassen.

Die Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs mit einer Dicke von 1,25 bis 2,5 mm ist in US- A 4,948,661 beschrieben. Zunächst wird in einem Trocken verfahren ein Mischvlies aus Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern hergestellt. Dieses Mischvlies wird jedoch nicht vernadelt, sondern wellenförmig zusammengefaltet und direkt durch Heißverpressen zum Halbzeug konsolidiert. Infolge der fehlenden Verfestigung des Mischvlieses ist das Konsolidieren in der Praxis problemlos nur diskontinuierlich möglich. Ein kontinuierliches Konsolidieren auf einer Doppelbandpresse wird zwar auch erwähnt, dabei würden aber - wenn es überhaupt praktisch durchführbar ist - die oben beschriebenen Nachteile auftreten. Da nach US- A 4,948,661 vor allem eine glatte, glänzende Oberfläche angestrebt wird, muß Faserbruch vermieden werden, was bei einer Nadelung zwangsläufig der Fall wäre. Halbzeuge aus unvernadelten Mischvliesen haben darüber hinaus den Nachteil, daß daraus hergestellte Formteile in der z-Richtung, d. h. senkrecht zur Hauptfläche, keine Verstärkung aufweisen.

Schließlich beschreibt die EP- A 555 345 ein luftdurchlässiges Fasergebilde aus einem naß oder trocken hergestellten Mischvlies aus Thermoplastfasern und Ver stärkungsfasern. Dieses nicht vernadelte Mischvlies wird durch vorsichtiges Anschmelzen der Thermoplastfasern teilverfestigt, indem diese sich an den Kreuzungsstellen mit den Verstärkungsfasern verbinden. Eine kontinuierliche Herstellung des Fasergebildes ist nicht beschrieben. Das Verfahren hat darüber hin aus den Nachteil, daß die nicht benetzten Verstärkungsfasern bei der Lagerung korrodieren können, außerdem ist auch hier bei der Formkörperherstellung eine vollständige Durchtränkung schwierig.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines relativ dünnen Halbzeugs aus einem thermoplastischen Kunst stoff und relativ langen Verstärkungsfasern zu entwickeln, das zu Fertigteilen umformbar ist, die in allen Richtungen hervorragende, gut reproduzierbare mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Aufgabe wird durch das erfin dungsgemäße Verfahren gelöst. Dieses umfaßt folgende Verfahrensschritte:

A) Thermoplastfasern und individuelle, nicht gebundene synthetische Verstärkungsfasern werden nach dem Krempel- oder Airlay-Verfahren trocken miteinander vermischt. Als Thermoplasten kommen alle verspinnbare thermo plastische Kunststoffe in Frage, z. B. Polyolefine, wie Polyethylen und Poly propylen, Polyamide, lineare Polyester, thermoplastische Polyurethane, Poly carbonat, Polyacetale, sowie entsprechende Copolymere und Mischungen, fer ner hochtemperatur- beständige Polymere, wie Polyarylate, Polysulfone, Poly imide und Polyetherketone. Besonders bevorzugt ist Polypropylen. Die entspre chenden Fasern lassen sich durch Verspinnen der Thermoplastschmelzen oder -lösungen herstellen. Die Thermoplastfasern weisen im allgemeinen eine mitt lere Länge von 10 bis 200 mm auf. Bevorzugte Verstärkungsfasern sind Glasfasern, daneben können grundsätzlich auch Kohlenstoffasern und Aramidfasern eingesetzt werden. Die Verstärkungs fasern weisen im allgemeinen eine mittlere Länge von 30 bis 300 mm, vorzugs weise von mehr als 50 mm, auf. Damit sie gut mit den Thermoplastfasern mischbar sind, müssen sie als individuelle, nicht gebundene Fasern vorliegen, d. h. sie dürfen nicht mit polymeren Bindemitteln gebunden sein. Die Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern werden im Gewichtsverhältnis 10 : 90 bis 80 : 20, vorzugsweise 25 : 75 bis 55 : 45 nach dem Krempel- oder Airlay-Verfahren, wie sie aus der Textiltechnologie bekannt sind, trocken mit einander vermischt. Dabei entsteht ein als endlose Bahn vorliegendes Misch vlies.
B) Das erhaltene Mischvlies wird durch Nadeln verfestigt. Dies kann auf üblichen Nadelstühlen mit Filznadeln geschehen. Durch das Nadeln werden einerseits die Verstärkungsfasern etwas gebrochen, so daß die mittlere Faserlänge reduziert wird; andererseits werden einzelne Fasern durch das Vlies hindurch gezogen, so daß sie senkrecht zur Hauptfläche ausgerichtet werden und im Fertigteil in dieser Richtung verstärkend wirken können. Außerdem bewirken diese senkrecht gerichteten Fasern, daß das Halbzeug beim Aufheizen in z- Richtung expandiert. Dieser sogenannte "Loft" kann zur Herstellung von Leicht bauteilen durch Teilkonsolidieren ausgenützt werden. Schließlich wird durch das erfindungsgemäße Nadeln das Mischvlies verfestigt, so daß es in den nachfolgenden Verfahrensschritten problemlos handhabbar ist. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird das genadelte Misch vlies in einer Richtung verstreckt. Dadurch sind auch im Fertigteil die Verstär kungsfasern in dieser Richtung ausgerichtet und bewirken so ein besonders hohes mechanisches Niveau in dieser Richtung.
C) Das verfestigte Mischvlies wird im Umluftofen oder durch IR-Bestrahlung auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt. Vorzugsweise sollte die Temperatur 20 bis 60°C oberhalb der Erwei chungs-Temperatur liegen; bei Polypropylenfasern liegt sie bevorzugt zwischen 180 und 220°C, insbesondere zwischen 190 und 210°C.
D) Unmittelbar anschließend wird das erwärmte Mischvlies auf einem Kalander oder in einem Glättwerk verpreßt. Dabei werden vorzugsweise Drücke zwi schen 1 und 10 bar angewandt. Das entstandene flächige Halbzeug weist erfin dungsgemäß eine Dicke von 0,2 bis 3,0 mm, vorzugsweise von 1, 2 bis 2,0 mm auf. Für spezielle Anwendungen kann die Dicke auch weniger als 1,2 mm betragen. Die mittlere Länge der Verstärkungsfasern im Halbzeug beträgt 20 bis 200 mm, vorzugsweise sind die Fasern im Mittel mehr als 50 mm lang.
E) In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden beim Verpressen ein- oder beidseitig Funktionsschichten an das erwärmte Mischvlies heran geführt und mitverpreßt. Dies könne Dekorschichten, dünne Faservliese, Ther moplastfolien oder Stoffbahnen sein. Grundsätzlich können die Funktions schichten auch erst bei der Formteilherstellung aufgebracht werden.

Das erfindungsgemäß hergestellte Halbzeug kann aufgerollt und gelagert werden. Es kann dann zu dreidimensionalen Fertigteilen thermoplastisch verformt werden. Dazu werden entsprechende Zuschnitte auf Temperaturen oberhalb der Erwei chungstemperatur des Thermoplasten erwärmt und in üblichen zweiteiligen For men verpreßt oder durch Tiefziehen verformt. Die Fertigteile sind im Transport sektor als Automobil-, Eisenbahn- und Flugzeuginnenteile, aber auch als Karosserieteile, als großflächige Paneele sowie als Möbelteile verwendbar.

Claims

1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines thermoplastisch verformbaren Halbzeugs einer Dicke von 0,2 bis 3,0 mm aus 10 bis 80 Gew.-% eines thermo- plastischen Kunststoffs und 90 bis 20 Gew.-% Verstärkungsfasern einer mittleren Länge von 20 bis 200 mm durch folgende Verfahrensschritte:

A) Thermoplastfasern und individuelle, nicht gebundene synthetische Verstär kungsfasern werden nach dem Airlay- oder Krempelverfahren trocken mit einander zu einer endlosen Bahn vermischt,
B) das erhaltene Mischvlies wird durch Nadeln verfestigt,
C) das verfestigte Mischvlies wird in einem Umluftofen oder durch Infrarot- Bestrahlung auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt,
D) anschließend wird das erwärmte Mischvlies auf einem Kalander oder in einem Glättwerk zum Halbzeug verpreßt,
E) gegebenenfalls werden gleichzeitig oder anschließend Funktionsschichten auf das Halbzeug aufgepreßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug eine Dicke von 1, 2 bis 2,0 mm aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug eine Dicke von weniger als 1,2 mm aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungs fasern eine mittlere Länge von mehr als 50 mm aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermo plastische Kunststoff Polypropylen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungs fasern Glasfasern sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genadelte Mischvlies in einer Richtung verstreckt wird.

8. Verwendung des nach Anspruch 1 hergestellten Halbzeugs zur Herstellung von dreidimensionalen Fertigteilen durch Heißumformen in einer Presse.

9. Verwendung des nach Anspruch 6 hergestellten Halbzeugs zur Herstellung von dreidimensionalen Fertigteilen, die in einer Vorzugsrichtung ein besonders hohes mechanisches Niveau aufweisen.