DE10161155A1

DE10161155A1 - Einleger enthaltende Polyurethan-Verbundbauteile

Info

Publication number: DE10161155A1
Application number: DE2001161155
Authority: DE
Inventors: Georg Partusch; Michael Fader; Joerg Poeltl
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: DE10161155B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Verbundbauteile, aufgebaut aus einer Folie und einer Schicht aus faserverstärktem Polyurethan, enthaltend Einleger, wobei die Einleger mit einer Polymerschicht überzogen sind oder flache Blecheinleger mit geringer Erhabung an seinen Außenkanten in Richtung PUR gebogen sind und deren Verwendung in Karosseriebauteilen.

Description

Die Erfindung betrifft Verbundbauteile, aufgebaut aus einer Folie und einer Schicht aus faserverstärktem Polyurethan, enthaltend Einleger, wobei die Einleger mit einer Polymerschicht überzogen sind, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung als Karosseriebauteile.
EP-A-1 077 225 und EP-A-995 667 beschreiben Verbundbauteile, insbesondere Dachmodule für Kraftfahrzeuge, die hergestellt werden durch Formen einer thermoplastischen Folie und anschließendem Aufbringen von faserverstärktem Polyurethan auf diese Folie. Die thermoplastische, eingefärbte Folie ersetzt dabei die Lackierung. Die beschriebenen Verbundbauteile finden beispielsweise Verwendung in Kraftfahrzeugen des Typs "Smart".
Um die Torsionssteifigkeit solcher Verbundbauteile zu verbessern oder die Befestigung von Anbauteilen wie beispielsweise Haltegriffe zu ermöglichen, ist es erforderlich, einen oder mehrere Einleger, bevorzugt in Form von profilierten Spriegeln, in das Verbundbauteil einzuarbeiten.
Aus dem Stand der Technik ist allgemein bekannt, dass Einleger oder Spriegel durch Einlegen in eine Form und anschließendem Einbinden in eine Polyurethanmatrix in Polyurethanbauteile eingebunden werden können. Dieses Verfahren weist jedoch bei Verbundbauteilen aus Folie und Polyurethanmatrix den Nachteil auf, dass sich nach dem Abkühlen und Entformen des Bauteils die Geometrie des Einlegers oder Spriegels auf der Folienseite des Bauteils abzeichnet.
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen, aufgebaut aus Folie und faserverstärktem Polyurethan, bereit zu stellen, wobei die Verbundbauteile Einleger enthalten sollen, ohne dass sich die Geometrie der Einleger auf der Folienseite der Verbundbauteile abzeichnet. Weiterhin war es Aufgabe der Erfindung entsprechende Verbundbauteile bereit zu stellen.
Die Aufgabe konnte dadurch gelöst werden, dass die Einleger, bevorzugt profilierte Einleger, vor dem Einbringen in die Form mit einer Polymerschicht beschichtet wurden.
Gegenstand der Erfindung sind daher Verbundbauteile, aufgebaut aus einer Folie (i) und einer Schicht aus faserverstärktem Polyurethan (ii), enthaltend Einleger, wobei die Einleger mit einer Polymerschicht überzogen sind.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen, umfassend die Schritte

A) Einlegen einer Folie (i) in ein Formwerkzeug,
B) Anbringen von mindestens einem Einleger am Werkzeugoberteil, wobei die Einleger mit einer Polymerschicht beschichtet sind,
C) Aufbringen einer Schicht aus faserverstärktem Polyurethan (ii) auf die Folie (i) und anschließend
D) Aushärten des Verbundbauteils bei geschlossener Form.

Ferner ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung von Einlegern, die mit einer Polymerschicht überzogen sind, zur Verbesserung der Steifigkeit von Verbundbauteilen, umfassend eine Folie und eine Schicht aus faserverstärktem Polyurethan und die Verwendung der genannten Verbundbauteile zur Herstellung von Karosseriebauteilen.
Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile bestehen aus zwei Schichten. Schicht i) des erfindungsgemäßen Verbundbauteils umfasst eine Folie, welche üblicherweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, bevorzugt Aluminiumcoilcoating, oder aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen kann. Als thermoplastische Folie können allgemein bekannte Folien eingesetzt werden, beispielsweise übliche Folien auf der Basis von Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylnitril-Styrol-Acrylester (ASA), Acrylnitril-Styrol-Acrylester und Polycarbonat Blend (ASA-PC), Polycarbonat (PC), thermoplastischem Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen, und/oder Polyvinylchlorid (PVC).
Derartige Folien sind kommerziell erhältlich und ihre Herstellung ist allgemein bekannt. Die Folien weisen üblicherweise eine Dicke von 0,1 bis 15 mm, bevorzugt von 1 bis 3 mm, auf. Bevorzugt werden als thermoplastische Folie (i) eine mindestens zwei Schichten enthaltene Folie eingesetzt, wobei die eine Schicht einen ASA und/oder Polycarbonat und/oder ASA-PC Blend-Werkstoff enthält. Besonders bevorzugt verwendet man eine mindestens Zweischichtfolie, wobei die erste Schicht auf PMMA basiert und die zweite Schicht auf ASA und/oder ASA-PC und/oder PC. Setzt man Zweischichtfolie ein, so haftet das Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte bevorzugt an ASA und/oder ASA/PC und/oder PC.
Bevorzugt wird eine Folie verwendet, die eine Class-A Oberfläche erzeugt. Unter Class-A Oberfläche versteht man eine Oberfläche, die bei visueller Betrachtung optisch hochwertig erscheint. Bei der Beurteilung der Hochwertigkeit können Lang- und Kurzwelligkeit, Fehlstellen und/oder Glanzgrad berücksichtigt werden.
Schicht ii) der erfindungsgemäßen Verbundbauteile umfasst faserverstärktes Polyurethan und dient als Träger, der dem Verbundbauteil vorteilhafte mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise hohe Festigkeit, verleiht.
Unter faserverstärktem Polyurethan versteht man Polyurethan, das Fasern zur Verstärkung enthält, wobei diese Fasern bevorzugt so beschaffen sind, dass sie nicht über einen herkömmlichen Hochdruckmischkopf verarbeitbar sind. Die Fasern können beispielsweise durch das aus dem Stand der Technik bekannte LFI-Verfahren (Long Fiber Injection) in das Polyurethan eingebracht werden und weisen im allgemeinen eine Länge von mehr als 5 mm, bevorzugt von mehr als 10 mm, besonders bevorzugt von 10 mm bis 10 cm auf. Weiterhin ist es auch möglich, die Fasern in Form von Matten in das Polyurethan einzubringen (Matteneinlegeverfahren).
Bei den verwendeten Fasern kann es sich um Glasfasern, Naturfasern, wie beispielsweise Flachs, Jute oder Sisal, Kunstfasern, wie beispielsweise Polyamidfasern, Polyesterfaser, Carbonfasern oder Polyurethanfasern handeln. Bevorzugt verwendet werden Glasfasern.
Die Fasern werden üblicherweise in einer Menge von 0,1 bis 90 Gew.-%, bevorzugt von 1 bis 50, mehr bevorzugt von 5 bis 40 und besonders bevorzugt von 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Schicht ii) eingesetzt.
Die Schicht ii) der erfindungsgemäßen Verbundbauteile weist üblicherweise eine Dichte von 0,1 bis 1,3 kg/l, bevorzugt von 0,3 bis 1,0 kg/l. Zur Erreichung dieser Dichte werden kompakte oder zellige Polyurethane eingesetzt, wobei Polyurethanhartschäume bevorzugt verwendet werden.
Die Dicke der Schicht ii) in den erfindungsgemäßen Verbundbauteilen beträgt üblicherweise 0,1 bis 250 mm, bevorzugt 0,5 bis 100 mm, mehr bevorzugt 1 bis 50 mm, besonders bevorzugt 1 bis 10 mm.
Bei den erfindungsgemäßen Verbundbauteilen liegt bevorzugt Haftung zwischen Schicht i) und Schicht ii) vor, d. h. die Adhäsion zwischen den Schichten ist bevorzugt größer als die Kohäsion innerhalb einer Schicht. Zur Erhöhung der Adhäsion zwischen den Schichten i) und ii) kann Schicht i) vor dem Hinterschäumen vorbehandelt werden, beispielsweise durch Auftragen . eines Primers, durch Flammbehandlung oder mechanische Aufrauhung oder Bestrahlung mit Licht (Wellenlänge der Strahlung kleiner 800 nm) oder Partikeln (Sandstrahlen). Diese Vorbehandlung ist jedoch optional.
Die Schicht ii) der erfindungsgemäßen Verbundelemente umfasst Polyurethane. Der Begriff Polyurethane bezieht sich hier auf Polyisocyanat-Polyadditionsprodukte, die durch Umsetzung von a) Polyisocyanaten mit b) mit Isocyanat reaktiven Verbindungen gegebenenfalls in Anwesenheit von c) Treibmittel, d) Katalysatoren und e) Hilfs- und Zusatzstoffen erhältlich sind.
Als Isocyanate (a) können allgemein bekannte (cyclo)aliphatische und/oder insbesondere aromatische Polyisocyanate eingesetzt werden. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundelemente eignen sich besonders aromatische oder aliphatische Diisocyanate, vorzugsweise Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Toluylendiisocyanat (TDI) und Hexamethylendiisocyanat (HDI). Die Isocyanate können in Form der reinen Verbindung oder in modifizierter Form, beispielsweise in Form von Urethdionen, Isocyanuraten, Allophanaten oder Biurethen, vorzugsweise in Form von Urethan- und Isocyanatgruppen enthaltenden Umsetzungsprodukten, sogenannten Isocyanat-Prepolymeren, eingesetzt werden.
Als gegenüber Isocyanaten reaktive Verbindungen (b) kommen Verbindungen in Frage, die zwei oder mehr reaktive Gruppen, ausgewählt aus OH-Gruppen, SH-Gruppen, NH-Gruppen, NH₂-Gruppen und CH-aciden Gruppen, wie z. B. β-Diketo-Gruppen, im Molekül tragen.
Zweckmäßigerweise werden solche mit einer Funktionalität von 1,8 bis 8, vorzugsweise 2 bis 6, und einem Molekulargewicht von 300 bis 8000, vorzugsweise von 400 bis 4000 verwendet. Bewährt haben sich z. B. Polyetherpolyamine und/oder vorzugsweise Polyole, ausgewählt aus der Gruppe der Polyetherpolyole, Polyesterpolyole, Polythioetherpolyole, Polyesteramide, hydroxylgruppenhaltigen Polyacetale und hydroxylgruppenhaltigen aliphatischen Polycarbonate oder Mischungen aus mindestens zwei der genannten Polyole. Vorzugsweise Anwendung finden Polyesterpolyole und/oder Polyetherpolyole. Besonders bevorzugt werden Polyetherpolyole eingesetzt, die mindestens 10% primäre Hydroxylgruppen aufweisen. Die Hydroxylzahl der Polyhydroxylverbindungen beträgt dabei in aller Regel 50 bis 1000. Des weiteren können die Verbindungen (b) in Mischung mit üblichen Kettenverlängerungs- und/oder Vernetzungsmitteln verwendet werden.
Als Treibmittel (c) können zur Herstellung von geschäumten Produkten allgemein bekannte chemisch oder physikalisch wirkende Verbindungen eingesetzt werden. Als chemisch wirkendes Treibmittel kann bevorzugt Wasser eingesetzt werden. Beispiele für physikalische Treibmittel sind inerte (cyclo)aliphatische Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 8 Kohlenstoffatomen, die unter den Bedingungen der Polyurethanbildung verdampfen. Die Menge der eingesetzten Treibmittel richtet sich nach der angestrebten Dichte der Schaumstoffe.
Als Katalysatoren (d) können übliche Verbindungen eingesetzt werden, die die Reaktion der Komponente (a) mit der Komponente (b) beschleunigen. In Frage kommen beispielsweise tertiäre Amine und/oder organische Metallverbindungen. Beispielsweise können als Katalysatoren folgende Verbindungen eingesetzt werden: Triethylendiamin, Aminoalkyl- und/oder Aminophenyl-imidazole, z. B. 4-Chlor-2,5-dimethyl-1-(N-methylaminoethyl)-imidazol, 2-Aminopropyl-4,5-dimethoxy-1-methylimidazol, 1-Aminopropyl- 2,4,5-tributylimidazol, 1-Aminoethyl-4-hexylimidazol, 1-Aminobutyl-2,5-dimethylimidazol, 1-(3 -Aminopropyl)-2-ethyl-4-methylimidazol, 1-(3-Aminopropyl)imidazol und/oder 1-(3-Aminopropyl)- 2-methylimidazol, Zinn-(II)salze von organischen Carbonsäuren, z. B. Zinn-(II)-diacetat, Zinn-(II)-dioctoat, Zinn-(II)-diethylhexoat und Zinn-(II)-dilaurat und Dialkylzinn-(IV)-salzen von organischen Carbonsäuren, z. B. Dibutyl-zinndiacetat, Dibutylzinn-dilaurat, Dibutylzinn-maleat und Dioctylzinn-diacetat.
Die Umsetzung erfolgt gegebenenfalls in Anwesenheit von (g) Hilfs- und/oder Zusatzstoffen, wie z. B. Zellreglern, Trenn- mittel, Pigmente, oberflächenaktiven Verbindungen und/oder Stabilisatoren gegen oxidativen, thermischen oder mikrobiellen Abbau oder Alterung.
Zur Herstellung der Polyurethane können die Isocyanate (a) und die gegenüber Isocyanaten reaktiven Verbindungen (b) in solchen Mengen zur Umsetzung gebracht, dass das Äquivalenzverhältnis von NCO-Gruppen von (a) zur Summe der reaktiven Wasserstoffatome von (b) bevorzugt 0,90 bis 1,5 : 1, besonders bevorzugt 1 bis 1,2 : 1 beträgt.
Die Schicht ii) der erfindungsgemäßen Verbundbauteile enthält Einleger. Unter Einleger werden Gegenstände verstanden, die ganz oder teilweise in die faserverstärkte Polyurethanschicht eingeschäumt werden können. Die verwendeten Einleger bestehen bevorzugt aus Kunststoff und/oder Metall. Beispiele für bevorzugte Metalle sind Stahl, Kupfer, Zink, Aluminium oder Gemische davon.
Die Form der Einleger kann je nach Anwendungszweck variieren. Zur Verbesserung der Torsionssteifigkeit werden bevorzugt profilierte Einleger (Spriegel) verwendet. Diese können sich über die gesamte Breite oder Länge des Verbundbauteils erstrecken.
Ferner können als Einleger Anbauteile wie Schrauben oder Haltegriffe, beispielsweise für Lautsprecher, Lampen oder Antennen, in die PUR-Matrix eingebunden werden.
Fig. 1 veranschaulicht ein Verbundbauteil, dass beschichtete Einleger enthält. Das Verbundbauteil weist dabei die Form eines Dachmoduls auf, das sowohl einen Einleger als Querspriegel enthält als auch Einleger für Haltegriffe.
In Fig. 1 bedeutet:

1. 1 Dachmodul (Draufsicht)
2. 2 Vorderseite
3. 3 Rückseite
4. 4 Einleger für Haltegriffe
5. 5 Querspriegel
6. 6 Versteifungsrippen

Die Einleger, die im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden, sind mit einer Polymerschicht beschichtet. Diese Beschichtung kann im allgemeinen mit allen aus dem Stand der Technik bekannten Methoden erfolgen. Beispielsweise kann die Polymerschicht als Sprühhaut auf die Einleger aufgetragen werden. Ebenfalls ist es möglich, die Einleger mit einer Folie aus dem entsprechenden Polymer zu bekleben. Ebenfalls ist es möglich, die Einleger so in eine Form einzubringen, dass zwischen Formwand und Einleger ein gewünschter Abstand vorliegt, wobei in diesen Zwischenraum anschließend das Polymer eingebracht wird.
Die Polymerschicht weist im allgemeinen eine Dicke von 0,5 bis 20 mm, bevorzugt von 1 bis 10 mm auf.
Als Polymer ist im allgemeinen jeder Kunststoff geeignet, der den bei der Herstellung des Verbundbauteils auftretenden Forminnendruck standhält. Dieser Forminnendruck liegt im allgemeinen bei 2 bis 15 bar.
Ferner ist es vorteilhaft, die Art des Polymers so zu wählen, dass eine Anpassung der linearen Ausdehnungskoeffizienten von der den Einleger umgebenden Polymerschicht und der faserverstärkten Polyurethanschicht erfolgt. Unter einer linearen Ausdehnung versteht man die Längenänderung dL, die ein fester Körper, also hier die Schicht i), bei einer Temperaturänderung dT erfährt. Sie wird in erster Näherung durch dL/L = a.dT beschrieben, wobei der linearen Ausdehnungskoeffizienten a in der Größenordnung 10 ^-6/K angegeben ist.
Im allgemeinen weist Schicht ii) einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 0,1 bis 65, bevorzugt von 1 bis 50, besonders bevorzugt von 20 bis 45 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die zur Beschichtung der Einleger verwendete Polymerschicht einen Längenausdehnungskoeffizient auf, für den gilt: Längenausdehnungskoeffizient (Polymerschicht) = Längenausdehnungskoeffizient (faserverstärktes Polyurethan) ±50, bevorzugt ±30.
Beispiele für geeignete Polymere sind Polyethylen, Polypropylen, Acrylsäure-Butadien-Styrol-Copolymeren (ABS), Polyvinylchlorid (PVC), Acrylatkautschuk, Polyester, Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) und Polyurethan, insbesondere kompaktes Polyurethan, z. B. thermoplastisches Polyurethan (TPU) oder Polyurethanhartschaum. Bevorzugt verwendet werden kompakte Polyurethane, die unter der Bezeichnung "Coating-Systeme" dem Fachmann bekannt sind.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundbauteile erfolgt bevorzugt gemäß nachstehendem Verfahren.
In einem ersten Schritt A) wird in das Formunterteil eines zweiteiligen Formwerkzeugs die Schicht i) des Verbundbauteils durch Einlegen einer Folie, die gegebenenfalls vorher beispielsweise durch Vakuumtiefziehen vorgeformt wurde, eingebracht. Die Oberfläche, welche bevorzugt die Class-A Oberfläche des späteren Verbundbauteils darstellt, ist der Formwand zugewandt.
Anschließend wird in einem zweiten Schritt B) ein oder mehrere Einleger, der oder die mit einer Polymerschicht beschichtet sind, am Formoberteil des Formwerkzeuges angebracht. Die Fixierung kann beispielsweise durch eine Klemmvorrichtung oder bevorzugt durch Magneten erfolgen. Im allgemeinen kann Schritt B) auch vor oder zeitgleich mit Schritt A) erfolgen.
Danach wird in einem dritten Schritt C) die Schicht ii) aus faserverstärktem Polyurethan beispielsweise durch das bekannte LFI-Verfahren oder Matteneinlegeverfahren auf die Folie (Schicht i)) aufgebracht. Das Aufbringen der Polyurethanmatrix erfolgt bevorzugt bei offener Form.
Nachdem die faserverstärkte Polyurethanschicht eingebracht ist wird im allgemeinen die Form geschlossen und das Verbundbauteil ausgehärtet. Dadurch werden die am Formoberteil angebrachten Einleger mit der Polyurethanmatrix in Kontakt gebracht. Je nach Anwendungszweck kann die Fixierung der Einleger so gewählt werden, dass die Einleger im fertigen Verbundbauteil komplett von der faserverstärkten Polyurethanschicht umhüllt sind, oder dass diese nur auf einer Seite zur faserverstärkten Polyurethanschicht Kontakt aufweisen.
Als Formwerkzeuge zur Herstellung der Produkte können übliche und kommerziell erhältliche Werkzeuge eingesetzt werden, deren Oberfläche beispielsweise aus Stahl, Aluminium, Emaille, Teflon, Epoxyharz oder einem anderen polymeren Werkstoff besteht, wobei die Oberfläche gegebenenfalls verchromt, beispielsweise hartverchromt sein kann. Bevorzugt sollten die Formwerkzeuge temperierbar, um die bevorzugten Temperaturen einstellen zu können, verschließbar und bevorzugt zur Ausübung eines Druckes auf das Produkt ausgerüstet sein.
Die Umsetzung der faserverstärkten Polyurethanschicht erfolgt üblicherweise bei einer Formtemperatur von 30 bis 80°C und einer Temperatur der Ausgangskomponenten von bevorzugt 18 bis 65°C für eine Dauer von üblicherweise 0,5 bis 10 min, bevorzugt 0,5 bis 5 min.
Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile weisen entsprechend ihrem bevorzugten Einsatz als flächige Formteile, beispielsweise als Ersatz für metallische Bleche, bevorzugt eine flächige Struktur auf. Die Produkte besitzen eine Dicke von 1 bis 500 mm, bevorzugt von 5 bis 50 mm.
Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile finden vorzugsweise Verwendung als Bauteile im Fahrzeug-, Flugzeug- oder Immobilienbau, bevorzugt als Karosseriebauteile für Kraftfahrzeuge, insbesondere als Dächer oder Dachmodule, Türen, Motorhauben, Kofferraumdeckel, Endkantenklappen, Stoßstangen und Hardtops.
Gemäß der vorliegenden Erfindung finden Einleger, die mit einer Polymerschicht überzogen sind, Verwendung zum Einbau in Verbundbauteile, umfassend eine Folie und eine Schicht aus faserverstärktem Polyurethan, beispielsweise zur Verbesserung der Torsionssteifigkeit. Die Verwendung dieser Einleger ist vorteilhaft, da sich die Geometrie des Einlegers nicht auf der Seite der Folie abzeichnet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen, umfassend die Schritte

A) Einlegen einer Folie (i) in ein Formwerkzeug,

B) Anbringen von mindestens einem Einleger am Werkzeugoberteil, wobei die Einleger mit einer Polymerschicht beschichtet sind,

C) Aufbringen einer Schicht aus faserverstärktem Polyurethan (ii) auf die Folie (i) und anschließend

D) Aushärten des Verbundbauteils bei geschlossener Form.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beschichtung der Einleger verwendete Polymerschicht eine Dicke von 0,5 mm bis 20 mm aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Beschichtung der Einleger verwendete Polymerschicht einen Längenausdehnungskoeffizient aufweist, für den gilt: Längenausdehnungskoeffizient (Polymerschicht) = Längenausdehnungskoeffizient (faserverstärktes Polyurethan) ±50.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zur Beschichtung der Einleger verwendeten Polymerschicht um kompaktes Polyurethan handelt.

5. Verbundbauteile, aufgebaut aus einer Folie und einer Schicht aus faserverstärktem Polyurethan, enthaltend Einleger, wobei die Einleger mit einer Polymerschicht überzogen sind.

6. Verwendung von Verbundbauteilen gemäß Anspruch 5 zur Herstellung von Karosseriebauteilen.

7. Verwendung von Einlegern, die mit einer Polymerschicht überzogen sind, zum Einbau in Verbundbauteile, umfassend eine Folie und eine Schicht aus faserverstärktem Polyurethan.