DE10114553A1

DE10114553A1 - Verfahren zur Herstellung eines dicken, thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs

Info

Publication number: DE10114553A1
Application number: DE10114553A
Authority: DE
Inventors: Harri Dittmar
Original assignee: Quadrant Plastic Composites AG
Current assignee: Mitsubishi Chemical Advanced Materials Composites AG
Priority date: 2001-03-24
Filing date: 2001-03-24
Publication date: 2002-09-26
Also published as: US7132025B2; EP1372940A1; WO2002076711A1; US20040112501A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von thermoplastisch verformbarem, dickem Halbzeug aus einem thermoplastischen Kunststoff und 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. zum Halbzeug verpreßt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dicken, thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs aus einem Mischvlies, welches Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern enthält.

Thermoplastisch verformbare Halbzeuge, welche Verstärkungsfasern, insbeson dere Glasmatten enthalten, werden in zunehmendem Maße zur Herstellung von Formteilen, insbesondere für Kraftfahrzeugteile eingesetzt. Derartige "Kunststoff bleche" zeichnen sich durch hohe Zähigkeit und Festigkeit aus. Diese GMT-Halb zeuge werden in großtechnischem 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.

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 geformten 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 her gestellt. 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.

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 Kreu zungsstellen mit den Verstärkungsfasern verbinden. Eine kontinuierliche Herstel lung des Fasergebildes ist nicht beschrieben. Das Verfahren hat darüber hinaus den Nachteil, daß die nicht benetzten Verstärkungsfasern bei der Lagerung korro dieren können, außerdem ist auch hier bei der Formkörperherstellung eine voll ständige Durchtränkung schwierig.

In der deutschen Patentanmeldung P 101 05 813.6 ist ein Verfahren zur Herstel lung eines thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs mit einer Dicke von 0,2 bis 3,0 mm beschrieben, bei dem ein Mischvlies aus Thermoplast fasern und 30 bis 300 mm langen Verstärkungsfasern vernadelt, erwärmt und auf einem Kalander oder in einem Glättwerk verpreßt wird. Wenn man aus diesem relativ dünnen Halbzeug Fertigteile mit komplizierter Raumform pressen will, insbesondere solche, die filigrane Rippen aufweisen, dann stellt man fest, daß die Rippen nicht zufriedenstellend mit Fasern gefüllt sind. Bei einem dickeren Halb zeug sollte man annehmen, daß die Fließfähigkeit verbessert ist.

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

A) Thermoplastfasern und individuelle, nicht gebundene synthetische Verstär kungsfasern werden nach dem Krempel- oder Airlay-Verfahren trocken mit einander vermischt. Als Thermoplasten kommen alle verspinnbare thermo plastische Kunststoffe in Frage, z. B. Polyolefine, wie Polyethylen und Poly propylen, Polyamide, lineare Polyester, thermoplastische Polyurethane, Polycarbonat, Polyacetale, sowie entsprechende Copolymere und Mischun gen, ferner hochtemperaturbeständige Polymere, wie Polyarylate, Poly sulfone, Polyetherimide, Polyimide und Polyetherketone. Besonders bevor zugt ist Polypropylen. Die entsprechenden Fasern lassen sich durch Verspinnen der Thermoplastschmelzen oder -lösungen herstellen. Die Thermoplastfasern weisen im allgemeinen eine mittlere Länge von 10 bis 200 mm auf. Damit das Halbzeug gut fließfähig ist, sollte der Schmelzindex des Thermoplasten relativ hoch sein. Im Fall von Polypropylen sollte der MFI (230°C, 2.16 kp) nach DIN 53 735 größer als 300 g/10 min sein und vorzugs weise zwischen 400 und 1000 g/10 min liegen.
Bevorzugte Verstärkungsfasern sind Glasfasern, daneben können grund sätzlich auch Kohlenstoffasern und Aramidfasern eingesetzt werden. Die eingesetzten Verstärkungsfasern weisen eine mittlere Länge von 20 bis 80 mm, vorzugsweise von 25 bis 50 mm auf. Derart kurze Fasern fließen beim Verpressen auch in dünne Bereiche des Werkzeugs. Damit sie gut mit den Thermoplastfasern mischbar sind, müssen sie als individuelle, nicht gebun dene Fasern vorliegen, d. h. sie dürfen nicht mit polymeren Bindemitteln gebunden sein.
Die Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern werden im Gewichtsverhält nis 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 miteinander vermischt. Dabei entsteht ein als endlose Bahn vorlie gendes Mischvlies.
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 hindurchgezogen, 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 Leichtbauteilen 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 Mischvlies in einer Richtung verstreckt. Dadurch sind auch im Fertigteil die Verstärkungsfasern 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 Erweichungstemperatur liegen; bei Polypropylenfasern liegt sie bevorzugt zwischen 180 und 220°C, insbesondere zwischen 190 und 210°C.
D) Unmittelbar anschließend wird das erwärmte Mischvlies in einer Kaschier einrichtung, einem Glättwerk oder einem Kalander verpreßt. Eine Kaschier einrichtung ist eine Doppelbandpresse, die aber - im Gegensatz zu üblichen GMT-Doppelbandpressen - keine Stahlbänder aufweist, sondern Bänder aus polymer-, vorzugsweise teflonbeschichtetem Glas- oder Aramidgewebe, und wo mit wesentlich niedrigeren Drücken zwischen 1 und 10 bar gearbeitet wird. Das entstandene flächige Halbzeug weist erfindungsgemäß eine Dicke von mehr als 3,0 mm, vorzugsweise von 3,2 bis 10,0 mm auf. Die mittlere Länge der Verstärkungsfasern im Halbzeug beträgt 10 bis 60 mm, vorzugs weise sind die Fasern im Mittel weniger als 50 mm lang.
E) In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden beim Verpres sen ein- oder beidseitig Funktionsschichten an das erwärmte Mischvlies her angeführt und mitverpreßt. Dies könne Dekorschichten, dünne Faservliese, Thermoplastfolien oder Stoffbahnen sein. Grundsätzlich können die Funktionsschichten auch erst bei der Formteilherstellung aufgebracht werden.

Das erfindungsgemäß hergestellte Halbzeug kann in kundenspezifische Zuschnitte vereinzelt und auf Paletten gestapelt und versandt 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. Da das Halbzeug verhältnismäßig dick ist und kurze Fasern enthält, fließen diese beim Verpressen auch in feine Bereiche des Werkzeugs, so daß Fertigteile mit komplizierter Raumform und insbesondere mit filigranen Rippen hergestellt werden können. Die Fertigteile sind im Transportsektor als Automobil-, Eisenbahn- und Flugzeuginnenteile, aber auch als Karosserieteile, als großflächige Paneele sowie als Möbelteile verwendbar.

Claims

1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines thermoplastisch verform baren Halbzeugs einer Dicke von mehr als 3,0 mm aus 10 bis 80 Gew.-% eines thermoplastischen Kunststoffs und 90 bis 20 Gew.-% Verstärkungs fasern durch folgende Verfahrensschritte:

A) Thermoplastfasern und individuelle, nicht gebundene synthetische Verstärkungsfasern einer Länge von 20 bis 80 mm werden nach dem Airlay- oder Krempelverfahren trocken miteinander 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 einer Kaschiereinrich tung, einem Glättwerk oder einem Kalander zum Halbzeug verpreßt,
E) gegebenenfalls werden gleichzeitig oder anschließend Funktionsschich ten auf das Halbzeug aufgepreßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug eine Dicke von 3,2 bis 10,0 mm aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetz ten Verstärkungsfasern eine mittlere Länge von 25 bis 60 mm aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermo plastische Kunststoff Polypropylen mit einer Schmelzviskosität MFI (230°C, 2.16 kp) nach DIN 53 735 von größer als 300 g/10 min ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern Glasfasern sind.

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

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

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