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DE102007015318A1 - Process for the preparation of reinforced thermoplastic composites and associated apparatus for carrying out, and composites produced in this way - Google Patents

Process for the preparation of reinforced thermoplastic composites and associated apparatus for carrying out, and composites produced in this way Download PDF

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DE102007015318A1
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DE
Germany
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stretched
matrix
composites
composite
thermoplastic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102007015318A
Other languages
German (de)
Inventor
Udo Steffl
Stefan Reinemann
Holger Gunkel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rehau Automotive SE and Co KG
Original Assignee
Rehau AG and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rehau AG and Co filed Critical Rehau AG and Co
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Priority to PCT/EP2008/002051 priority patent/WO2008119454A1/en
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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von fibrillenverstärkten Kunststoffcomposites zeichnet sich dadurch aus, dass: - die Composites zu 50 bis 95% aus einer thermoplastischen Matrix und zu 5 bis 50% aus einer oder mehreren thermoplastischen Verstärkungskomponente bestehen, die miteinander nicht verträglich sind und bei der die Matrix gegenüber der Verstärkungskomponente eine niedrigere Schmelzetemperatur besitzt, - die Materialien im geschmolzenen Zustand gemischt werden, - die plastifizierte Mischung durch eine Düse ausgetragen und anschließend im heißen Zustand im Verhältnis 2 bis 20 verstreckt wird und - die verstreckte Mischung unter Spannung abgekühlt wird.The process according to the invention for producing fibril-reinforced plastic composites is characterized in that: the composites consist of 50 to 95% of a thermoplastic matrix and 5 to 50% of one or more thermoplastic reinforcing components which are incompatible with one another and in which the Matrix has a lower melt temperature than the reinforcing component, - the materials are mixed in the molten state, - the plasticized mixture is discharged through a nozzle and then hot drawn in a ratio of 2 to 20 and - the stretched mixture is cooled under tension.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten thermoplastischen Kunststoffcomposites mit verbesserter Verträglichkeit zwischen den Komponenten und hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften, der zugehörigen Vorrichtung und den derart hergestellten Composites.The The invention relates to a process for the production of reinforced thermoplastic composites with improved compatibility between the components and excellent physical and mechanical Properties, the associated device and the like produced composites.

Die Composites bestehen aus einer thermoplastischen Kunststoffmatrix und einer oder mehreren thermoplastischen Zusatzstoffen, welche durch ihre fibrilläre Struktur eine Verstärkung des Kunststoffgemisches bewirken.The Composites consist of a thermoplastic matrix and one or more thermoplastic additives which a reinforcement due to their fibrillar structure cause the plastic mixture.

Stand der TechnikState of the art

Faserverstärkte Kunststoffcomposites mit erhöhter Festigkeit, Steifigkeit und Wärmeformbeständigkeit finden seit längerer Zeit sehr breite Anwendung.fiber-reinforced Plastic composites with increased strength, stiffness and heat resistance found for a long time Time very wide application.

Die wichtigsten Verstärkungsfasern sind Glas- und Kohlenstoff-Fasern.The most important reinforcing fibers are glass and carbon fibers.

Die zu verstärkenden Materialien sind unter anderem konventionelle thermoplastische Polymere mit meist amorpher oder teilkristalliner Struktur.The Reinforcing materials include conventional ones thermoplastic polymers with mostly amorphous or partially crystalline Structure.

Für die Herstellung der faserverstärkten Polymercomposites sind hohe Energieeinträge für das Mischen und Blenden des Matrixpolymers mit den verstärkenden Fasern erforderlich. Da die Fasern gewöhnlich in fester Form vorliegen und eine Länge von 0,1 bis 5 mm und ein Seitenverhältnis von 50 bis 100 aufweisen (Makrofasern), können für die Compoundierung keine gewöhnlichen Mischeinrichtungen angewendet werden, so dass spezielle Methoden und Apparaturen notwendig sind. Hohe Scherwirkung bei Herstellung und Verarbeitung der Compounds führen oft zu ungewollter Einkürzung der verstärkenden faserförmigen Komponente und damit unerwünschten Eigenschaftsveränderungen, wie einer gewissen Versprödung.For the production of fiber-reinforced polymer composites are high energy inputs for mixing and Blending the matrix polymer with the reinforcing fibers required. Since the fibers are usually in solid form and a length of 0.1 to 5 mm and an aspect ratio from 50 to 100 (macrofibres), can be used for the compounding no ordinary mixing equipment be applied, so special methods and equipment necessary are. High shear in the production and processing of compounds often lead to unwanted shortening of the reinforcing fibrous component and thus undesirable Property changes, such as a certain embrittlement.

Auch die Verwendung synthetischer Polymerfasern zur Verstärkung thermoplastischer Formmassen ist bereits mehrfach beschrieben.Also the use of synthetic polymer fibers for reinforcement thermoplastic molding compositions has already been described several times.

So wird beispielsweise in der DE 199 34 377 ein Verfahren zur Herstellung polyesterverstärkter Polypropylencompounds beschrieben, bei dem Polyesterfasern mit Hilfe eines Doppelschneckenextruders in eine Polypropylenschmelze eingemischt werden.For example, in the DE 199 34 377 describes a process for producing polyester-reinforced polypropylene compounds in which polyester fibers are mixed into a polypropylene melt by means of a twin-screw extruder.

Das Compound zeichnet sich durch erhöhte Schlagzähigkeit bei gleicher oder erhöhter Festigkeit und Steifigkeit aus. Der hohe finanzielle Aufwand für die Herstellung bzw. Beschaffung geeigneter Polyesterfasern sowie notwendige Einrichtungen zur gleichmäßigen Faseraufgabe in den Extrusionsprozess verhindern allerdings eine wirtschaftliche Produktion des Compounds.The Compound is characterized by increased impact resistance for the same or increased strength and rigidity. The high financial expenditure for the production or procurement suitable polyester fibers and necessary facilities for uniform Fiber feeding into the extrusion process, however, prevent one economical production of the compound.

Es ist in der Technik auch bekannt, dass Mikrofasern (Länge 0,1 μm bis 1000 μm mit einem Seitenverhältnis von 10 bis 1000) in situ in einer Polymer-Matrix gebildet werden können.It It is also known in the art that microfibers (length 0.1 μm to 1000 μm with an aspect ratio from 10 to 1000) in situ in a polymer matrix can.

In der US 724 698 wird die in-situ-Bildung von Fasern in einer Polymer-Matrix durch Zugabe eines Flüssigkristall-Polymers zu einem Basis-Polymer gefolgt von Mischen und Strangpressen offenbart.In the US 724 698 For example, in-situ formation of fibers in a polymer matrix is disclosed by adding a liquid crystal polymer to a base polymer followed by mixing and extrusion.

Wie auch in der EP 0 642 556 dargestellt, werden die entstehenden Fasern in Fließrichtung der thermoplastischen Matrixschmelze ausgerichtet und bewirken eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.As in the EP 0 642 556 As shown, the resulting fibers are aligned in the flow direction of the thermoplastic matrix melt and cause an improvement in the mechanical properties.

Die oben erwähnten Polymermischungen haben jedoch den Nachteil, dass ihre Eigenschaften in Querrichtung, wie beispielsweise die Kerbschlagzähigkeit, schlechter sind als die der entsprechenden unvermischten Kunststoffe.The However, the polymer mixtures mentioned above have the disadvantage that their properties in the transverse direction, such as the Notched impact strength are worse than those of the corresponding ones unmixed plastics.

Dieses Phänomen ist eine Folge der anisotropen Struktur und der schlechten Haftung zwischen der flüssigkristallinen Polymerphase und der Thermoplastphase.This Phenomenon is a consequence of the anisotropic structure and the poor adhesion between the liquid crystalline polymer phase and the thermoplastic phase.

Die in den Druckschriften EP 0 369 734 , EP 0 380 112 , WO 92/18568 empfohlenen Zusätze von Kompatibilisierungsmitteln zur Verringerung der Oberflächenspannung zwischen den Phasen und zur Verbesserung der Haftung und Dispersion bewirken nur eine geringe Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit.The in the pamphlets EP 0 369 734 . EP 0 380 112 . WO 92/18568 recommended additions of compatibilizers to reduce the surface tension between the phases and to improve adhesion and dispersion cause only a slight improvement in notched impact strength.

In der DE 241 88 03 ist ein thermoplastisches Material beschrieben, in welchem ein Polymerisat, dass in Form von langgestreckten Fibrillen vorliegt, dispergiert ist und so dem aus mehreren Komponenten bestehenden Material eine hohe Festigkeit verleiht.In the DE 241 88 03 For example, a thermoplastic material is described in which a polymer in the form of elongated fibrils is dispersed, thus imparting high strength to the multicomponent material.

Die polymeren Fibrillen werden in situ durch starke Scherwirkung beim Kneten des Schmelzegemisches erzeugt und durch Abkühlung unter Spannung in der Matrix fixiert. Da für die fibrillierende Komponente Polyolefine beansprucht werden, ist das Spektrum möglicher zu verstärkender Polymere auf Standardkunststoffe mit relativ niedriger Schmelzetemperatur und geringen mechanischen Eigenschaften beschränkt.The polymeric fibrils are in situ due to strong shear Kneading the melt mixture produced and by cooling fixed under tension in the matrix. As for the fibrillating Component polyolefins are claimed, the spectrum is possible to be reinforced polymers on standard plastics with relative low melt temperature and low mechanical properties limited.

Nachteilig am bekannten Stand der Technik auf diesem Gebiet ist das Fehlen eines einfachen Verfahrens, mit dem kostengünstig in kontinuierlicher Wiese fibrillärverstärkte thermoplastische Composites hergestellt werden können, wobei ein breites Materialspektrum einsetzbar ist.adversely The prior art in this field is the absence a simple process, with the cost in continuous Meadow fibrillar reinforced thermoplastic composites can be made, with a wide range of materials can be used.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen fibrillär verstärkter thermoplastischer Composites anzugeben, mit welchem kostengünstig eine Verbesserung physikalischer Eigenschaften erreicht werden kann, welches auf ein breites Materialspektrum anwendbar ist und die Basis für vielfältige Verarbeitungsverfahren, unter anderem auch für Spritzgussanwendungen, bilden kann.task The present invention is a simple process for continuous Producing fibrillar reinforced thermoplastic Specify composites that cost effectively improve physical Properties can be achieved which are based on a wide range of materials is applicable and the basis for a variety of processing methods, also for injection molding applications.

Die Erfindung ist dabei vorrangig auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Standardkunststoffen wie Polyethylen und Polypropylen durch die Verstärkung mit technischen Kunststoffen, wie Polyamid, Polyester und Polycarbonat ausgerichtet.The The invention is primarily based on the improvement of the mechanical Properties of thermoplastic standard plastics such as polyethylene and polypropylene by reinforcement with engineering plastics, such as polyamide, polyester and polycarbonate aligned.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt mindestens zwei miteinander unverträgliche Polymere mit unterschiedlichen Schmelzpunkten in einem Extrusionsverfahren geblendet werden.The The object is achieved according to the invention that in a first step, at least two incompatible Polymers with different melting points in an extrusion process be blinded.

Das Polymer mit höherem Schmelzpunkt soll die verstärkende Wirkung erzielen und weist einen Anteil von 5 bis 50% am Gesamtpolymergehalt des Composites auf.The Higher melting point polymer is said to be the reinforcing Achieve effect and has a share of 5 to 50% of the total polymer content of the composite.

Die Extrusionsbedingungen werden so gewählt, dass beide Polymere im geschmolzenen Zustand gemischt werden und die höherschmelzende Komponente als möglichst gleichmäßig kleine kugelförmige Partikel in der Matrix dispergiert ist.The Extrusion conditions are chosen so that both polymers be mixed in the molten state and the higher melting Component as evenly as possible small spherical particles dispersed in the matrix is.

Die durch Scherkräfte erzeugte Längsstreckung der Partikel geht bei den Bedingungen der herkömmlichen Strangextrusion mit Austritt der Schmelze aus dem Düsenkanal weitestgehend verloren.The sheared longitudinal stretching of the Particles go under the conditions of conventional extrusion extrusion with exit of the melt from the nozzle channel as far as possible lost.

Im zweiten Schritt wird das Blend durch Rund-, Breit- oder Profildüsen ausgetragen, um es anschließend im noch heißen Zustand zu verstrecken.in the second step is the blend by round, wide or profile nozzles discharged to it afterwards in the still hot Condition to stretch.

Es wurde festgestellt, dass bei bestimmten Temperaturen des ausgetragenen Composites Bedingungen gegeben sind, bei dem durch Streckung lange Fibrillen beider Komponenten entstehen, die einen Durchmesser von 1 bis 4 μm und eine Länge von 0,1 bis 5 mm haben.It was found to be discharged at certain temperatures Composites are given conditions in which by stretching long Fibrils of both components arise that have a diameter of 1 to 4 microns and a length of 0.1 to 5 mm.

Die Fibrillen werden durch Verstrecken des Composites hergestellt.The Fibrils are made by stretching the composite.

Zur Erzielung ausgeprägter Fibrillenstrukturen eignet sich ein Walzenstreckwerk, bei dem das Blend mit einem ersten Walzenpaar, welches annähernd die Geschwindigkeit der Schmelze im Düsenkanal hat, fixiert wird, und einem zweiten Walzenpaar, welches mit 2- bis 20-fach höherer Geschwindigkeit eine Verstreckung herbeiführt.to Achieving pronounced fibril structures is suitable a roller drafting system, in which the blend with a first pair of rollers, which approximately the speed of the melt in the nozzle channel has, is fixed, and a second pair of rollers, which with 2- up to 20 times higher speed causes a stretching.

Das Verstrecken des Blends, die Walzentemperaturen, -spaltweiten usw. sind so einzustellen, dass die Temperatur des extrudierten Blends im Moment des Verstreckens unter der Schmelzetemperatur des verstärkenden Polymers liegt und noch ausreichende Reckfähigkeit erlaubt.The Stretching the blend, roll temperatures, gap widths, etc. should be adjusted so that the temperature of the extruded blend at the moment of stretching below the melting temperature of the reinforcing Polymers is available and still sufficient stretchability allowed.

Die im dritten Schritt notwendige Kühlung unterhalb der Schmelzetemperatur des Matrixmaterials fixiert die Fibrillen in der Matrix. Sie erfolgt unter Spannung.The in the third step necessary cooling below the melt temperature of the matrix material fixes the fibrils in the matrix. It is done undervoltage.

Die Kühlung kann entweder durch lange Luftstrecken oder in einem Wasserbad erfolgen.The Cooling can be done either by long air distances or in take place in a water bath.

Um den fibrillierten Zustand der dispersen Phase zu erhalten und das elastische Zusammenziehen der langgestreckten Fibrillen zu vermeiden, ist es wichtig, das Abkühlen unter Spannung durchzuführen.Around To obtain the fibrillated state of the disperse phase and the avoid elastic contraction of the elongated fibrils it is important to carry out the cooling under tension.

Eine vorteilhafte Ausführung ist dadurch gegeben, dass eine Kühlung im Wasserbad bereits zwischen den Streckwerken durchgeführt wird.A advantageous embodiment is given by a Cooling in a water bath already between drafting systems is carried out.

Die weitere Gestaltung des Verfahrens wird wesentlich durch die Art des herzustellenden Produktes bestimmt, wobei der Verstreckung vorzugsweise das Schneiden zu rieselfähigen Granulaten folgt.The further design of the method is essentially due to the nature of the product to be produced, the drawing preferably cutting into free-flowing granules follows.

Das Blend gemäß der vorliegenden Erfindung kann nach üblichen Verarbeitungsverfahren, wie beispielsweise Spritzguss, Extrusion, Pressen bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der verstärkenden Komponente umgeformt werden.The Blend according to the present invention may according to usual Processing methods, such as injection molding, extrusion, Pressing at temperatures below the melting point of the reinforcing Component to be reshaped.

Dem Blend können auch an sich bekannte Kunststoffadditive zugesetzt werden. Solche Additive umfassen beispielsweise Stabilisatoren, Farbmittel, Färbehilfsmittel, Gleitmittel, Antistatikmittel und Flammschutzmittel.the Blend can also be added to known plastic additives become. Such additives include, for example, stabilizers, Colorants, dyeing aids, lubricants, antistatic agents and flame retardants.

Diese Substanzen können einzeln dosiert oder mit einem Polymer vorgemischt werde.These Substances can be dosed individually or with a polymer be premixed.

Die Erfindung umfasst die Herstellung der vorstehend beschriebenen Composites nach einem Verfahren, bei dem

  • • 50 bis 95% eines thermoplastischen Polymers mit 5 bis 50% eines oder mehrerer höherschmelzenden, mit der Matrix nicht verträglichen thermoplastischen Polymers vermischt und durch gemeinsame Extrusion in der Schmelze geblendet werden,
  • • das plastifizierte Material durch Rund-, Breit- oder Profildüsen ausgetragen und anschließend im noch heißen Zustand unter gezielten Bedingungen verstreckt wird,
  • • danach eine Abkühlung erfolgt, und
  • • eine Weiterverarbeitung unter Bedingungen erfolgt, bei denen die Schmelzetemperatur der höherschmelzenden Komponenten nicht überschritten und nur geringe Scherwirkung auf das Material ausgeübt wird.
The invention comprises the preparation of the composites described above by a process in which
  • 50 to 95% of a thermoplastic polymer is mixed with 5 to 50% of one or more higher-melting, matrix-incompatible thermoplastic polymers and blended by co-extrusion in the melt,
  • The plasticized material is discharged through round, wide or profile nozzles and then stretched under targeted conditions while still hot,
  • • then cool down, and
  • • further processing takes place under conditions in which the melt temperature of the higher-melting components is not exceeded and only minor shearing action is exerted on the material.

Erfindungsgemäß wird die Herstellung der Composites mit den Verarbeitungsverfahren Spritzguss, Pressen, Extrusion und Wickeln verknüpft.According to the invention the production of composites with the processing methods injection molding, pressing, Linked to extrusion and winding.

Die Lösung der Aufgabe, Kunststoffcomposites bereitzustellen, erfolgt gemäß Anspruch 15.The Solution to the problem of providing plastic composites takes place according to claim 15.

Ausführungsbeispieleembodiments

Folgende Beispiele zeigen eine vorteilhafte Ausführungsart der Verstärkung von Polypropylen (PP) mit Polyethylenterephthalat (PET).The following Examples show an advantageous embodiment of the reinforcement of polypropylene (PP) with polyethylene terephthalate (PET).

Die getrockneten Granulate beider Materialien werden im gewünschten Verhältnis dosiert und mit Hilfe eines gleichlaufenden Doppelschneckenextruders bei einer Schmelzetemperatur von ca. 270°C geblendet. Der Extruder mit einem Schneckendurchmesser von 25 mm und einer Drehzahl von 100 U/min wird mit einem Gesamtdurchsatz von 12 kg/h gefahren. Die Schmelze wird über einem Spritzkopf mit 4 runden Düsenöffnungen von 4 mm Durchmesser ausgetragen. Während die Stränge des Vergleichsprodukts (A) direkt durch ein Wasserbad geführt und anschließend granuliert werden, durchlaufen die Stränge für das neue Material (B) ein Streckwerk mit zwei Walzenpaaren unterschiedlicher Geschwindigkeit. Nach dem ersten Walzenpaar, welches mit einer Geschwindigkeit (v1) von 5 m/min die Stränge vom Spritzkopf abzieht, findet eine Verstreckung auf etwa die 8-fache Geschwindigkeit (v2) statt. Die Stränge verdünnen sich sehr stark und werden noch vor dem zweiten Walzenpaar durch ein Wasserbad geführt. Die Granulierung des verstreckten Blends erfolgt direkt nach dem zweiten Walzenpaar.The dried granules of both materials are metered in the desired ratio and blended with the aid of a co-rotating twin-screw extruder at a melt temperature of about 270 ° C. The extruder with a screw diameter of 25 mm and a speed of 100 rpm is driven at a total throughput of 12 kg / h. The melt is discharged via a spray head with 4 round nozzle openings of 4 mm diameter. While the strands of the comparative product (A) are passed directly through a water bath and then granulated, the strands for the new material (B) pass through a drafting system with two roller pairs of different speeds. After the first pair of rolls, which pulls the strands from the spray head at a speed (v 1 ) of 5 m / min, a stretching to about 8 times the speed (v 2 ) takes place. The strands dilute very strong and are passed through a water bath before the second pair of rollers. The granulation of the stretched blend takes place directly after the second pair of rolls.

Die Materialprüfung erfolgt an Prüfkörpern, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden.The Material testing is carried out on test specimens, which are produced by injection molding.

Die Tabelle 1 zeigt die erzielten mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Compounds (B) bei Einsatz von 20% PET im Vergleich zur unverstreckten Polymerzusammensetzung (A) und den Ausgangspolymeren PP und PET. Prüfung Einheit Norm PP PET A B Komponente 1 % 100 PP - 80 PP 80 PP Komponente 2 % - 100 PET 20 PET 20 PET Verstreckung v2/v1 - - - 7,7 Dichte g/cm3 DIN 55990 0,9 1,4 0,97 0,97 Zugfestigkeit MPa DIN EN ISO 527-1 32,3 56,2 29,3 35,6 Zug-E-Modul MPa DIN EN ISO 527-1 1378 2198 1838 2226 Schlagzähigkeit Charpy 23°C kJ/m2 DIN EN ISO 179/1 110 Kein Bruch 30,7 50,6 Kerbschlagzähigkeit Charpy 23°C kJ/m2 DIN EN ISO 179/1 2,4 3,6 1,9 2,5 Tabelle 1 Table 1 shows the achieved mechanical properties of the compound (B) according to the invention when using 20% PET in comparison to the unstretched polymer composition (A) and the starting polymers PP and PET. exam unit standard PP PET A B Component 1 % 100 pp - 80 pp 80 pp Component 2 % - 100 PET 20 PET 20 PET stretching v 2 / v 1 - - - 7.7 density g / cm 3 DIN 55990 0.9 1.4 0.97 0.97 tensile strenght MPa DIN EN ISO 527-1 32.3 56.2 29.3 35.6 Train modulus MPa DIN EN ISO 527-1 1378 2198 1838 2226 Impact strength Charpy 23 ° C kJ / m 2 DIN EN ISO 179/1 110 No break 30.7 50.6 Notched impact strength Charpy 23 ° C kJ / m 2 DIN EN ISO 179/1 2.4 3.6 1.9 2.5 Table 1

Die Ergebnisse zeigen, dass das gemäß der Erfindung hergestellte Produkt eine höhere Festigkeit und deutlich bessere Steifigkeit gegenüber dem unverstärkten PP und dem unverstreckten PP/PET (A) aufweist, allerdings bei der Schlagzähigkeit mit gewissen Einbußen zu rechnen ist.The Results show that according to the invention produced product a higher strength and clear better stiffness compared to the unreinforced PP and the undrawn PP / PET (A), but in the case of Toughness to be expected with certain losses is.

Weitere Ergebnisse am System PP/PET (bestehend aus 80% PP und 20% PET) zeigen folgende Versuche: Versuch 80 PP 20 PET 80 PP 20 PET 80 PP 20 PET Reckverhältnis im Bereich Düse – 1. Streckwerk v2/v1 6,6 1,3 13,5 Reckverhältnis im Bereich 1. Streckwerk – 2. Streckwerk v3/v2 2,5 6,9 - Reckverhältnis gesamt v3/v1 16,5 9,0 13,5 Festigkeit MPa 27,8 36,4 31,4 E-Modul MPa 1786 2282 1950 Schlagzähigkeit kJ/m2 22,3 58,9 78,7 Kerbschlagzähigkeit kJ/m2 1,95 2,5 2,1 MVI (230°C, 2,16 kg) cm3/10 min 1,0 11,2 Tabelle 2 Further results on the system PP / PET (consisting of 80% PP and 20% PET) show the following tests: attempt 80 PP 20 PET 80 PP 20 PET 80 PP 20 PET Stretch ratio in the area of the nozzle - 1st drafting system v 2 / v 1 6.6 1.3 13.5 Stretching ratio in the area 1. drafting system - 2. drafting system v 3 / v 2 2.5 6.9 - Total draw ratio v 3 / v 1 16.5 9.0 13.5 strength MPa 27.8 36.4 31.4 Modulus MPa 1786 2282 1950 impact strength kJ / m 2 22.3 58.9 78.7 Impact strength kJ / m 2 1.95 2.5 2.1 MVI (230 ° C, 2.16 kg) cm 3/10 min 1.0 11.2 Table 2

Interessant ist, dass gegenüber dem unverstreckten Blend gleicher Zusammensetzung sowohl Festigkeit, Steifigkeit und auch Schlagzähigkeit gemäß Tabelle 2 erhöht werden können. Gegenüber reinem PP ist allerdings eine reduzierte Schlagzähigkeit festzustellen. Mit Hilfe von rasterelektronischen Aufnahmen können die strukturellen Veränderungen, die durch das Verstrecken der Blends hervorgerufen werden, visualisiert werden.Interesting is that over the undrawn blend of the same composition both strength, rigidity and impact strength can be increased according to Table 2. Compared to pure PP, however, a reduced impact resistance determine. With the help of grid electronic recordings, the structural changes caused by stretching the blends are caused to be visualized.

Die unverstreckten Materialien zeigen bei beiden Matrizes das typische Verhalten eines Blends unverträglicher Kunststoffe. Die PET-Komponente liegt als kugelförmige Einlagerungen in der Matrix mit relativ gleichmäßigem Durchmesser vor.The undrawn materials show the typical in both matrices Behavior of a blend of incompatible plastics. The PET component lies as spherical embedded in the matrix of relatively uniform diameter in front.

Die Ausbildung fibrillärer Strukturen durch den Streckvorgang ist eindeutig feststellbar. Sowohl längs wie auch quer zur Zugrichtung sind die PET-Fibrillen mit Durchmessern von 1 bis 2 μm im rastermikroskopischen Bild zu erkennen.The Formation of fibrillar structures by the stretching process is clearly noticeable. Both longitudinal and transverse to the pulling direction are the PET fibrils with diameters from 1 to 2 μm in a scanning microscope image.

Bei der Verstreckung wurde wie folgt vorgegangen:
Zunächst erfolgt ein Verstrecken des aus der Düse ausgetragenen Blends zwischen Düse und dem ersten Streckwerk, der zugehörige Wert ist als Reckverhältnis v2/v1 angegeben. Das Reckverhältnis, welches sich zwischen dem ersten Streckwerk und dem zweiten Streckwerk einstellt, ist als v3/v2 bezeichnet. Das Gesamtreckverhältnis (als v3/v1 angegeben) ergibt sich durch Multiplikation der beiden vorgenannten Reckverhältnisse.
The stretching procedure was as follows:
First, a stretching of the blast discharged from the nozzle takes place between the nozzle and the first drafting device, the associated value being indicated as the drawing ratio v 2 / v 1 . The draw ratio, which occurs between the first drafting arrangement and the second drafting arrangement, is designated as v 3 / v 2 . The total stretching ratio (given as v 3 / v 1 ) is obtained by multiplying the two aforementioned stretching ratios.

Es wurden auch Versuche mit einem Blend aus HDPE (Polyethylen hoher Dichte) und PET durchgeführt.It were also experiments with a blend of HDPE (high polyethylene Density) and PET performed.

Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Versuch HDPE PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET Ohne Extrusion Nullprobe unverstärkt Verstreckt zwischen Walzenpaar 1 und Walzenpaar 2 Verstreckung v2/v1 15,8 10,0 5,7 Festigkeit MPa 22,3 56,2 24,1 25,0 23,4 23,7 E-Modul MPa 902 2198 1081 1115 1139 1141 Biegespannung MPa 17,2 71,9 22,1 23,2 Biege-Modul MPa 878 2260 1143 1156 Schlagzähigkeit (N = kein Bruch) kJ/m2 5*N 5*N 5*N 124 6*N 5*N Kerbschlagzähigkeit kJ/m2 13,0 3,6 2,3 2,6 2,7 3,6 Tabelle 3 The following results were achieved: attempt HDPE PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET Without extrusion Zero sample unreinforced Stretched between roller pair 1 and roller pair 2 stretching v 2 / v 1 15.8 10.0 5.7 strength MPa 22.3 56.2 24.1 25.0 23.4 23.7 Modulus MPa 902 2198 1081 1115 1139 1141 bending stress MPa 17.2 71.9 22.1 23.2 Flexural modulus MPa 878 2260 1143 1156 Impact strength (N = no fracture) kJ / m 2 5 * N 5 * N 5 * N 124 6 * N 5 * N Impact strength kJ / m 2 13.0 3.6 2.3 2.6 2.7 3.6 Table 3

In der Übersicht gemäß Tabelle 3 sind die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten den herkömmlich hergestellten Blends und den fibrillär verstärkten Compounds gleicher Zusammensetzung gegenübergestellt.In the overview according to Table 3 are the mechanical properties of the individual components the conventional prepared blends and the fibrillar reinforced Compounds of the same composition faced.

Während die mechanischen Eigenschaften nur unwesentliche Unterschiede aufweisen, konnte durch mikroskopische Untersuchungen die Ausbildung der Mikrofibrillen bestätigt werden.While the mechanical properties have only insignificant differences microscopic examinations allowed the formation of microfibrils beeing confirmed.

Die PET-Komponente konnte nach Lösen und Auswaschen der HDPE-Matrix aus den verstreckten Strängen sichtbar gemacht werden.The PET component was able to dissolve and wash out the HDPE matrix be made visible from the stretched strands.

Weitere Ergebnisse am System HDPE/PET zeigt die Tabelle 4: Versuch 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET Reckverhältnis im Bereich Düse – 1. Streckwerk v2/v1 5 6,6 9,7 9,5 Reckverhältnis im Bereich 1. Streckwerk – 2. Streckwerk v3/v2 3,35 1,0 1,0 2,4 Reckverhältnis gesamt v3/v1 16,7 6,6 9,7 22,8 Festigkeit MPa 25,1 26,4 26,3 25,2 E-Modul MPa 1152 1232 1170 1171 Schlagzähigkeit kJ/m2 28,8 94,6 84,4 21,6 Kerbschlagzähigkeit kJ/m2 3,1 2,9 2,4 2,0 Tabelle 4 Further results on the system HDPE / PET are shown in Table 4: attempt 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET 80 HDPE 20 PET Stretch ratio in the area of the nozzle - 1st drafting system v 2 / v 1 5 6.6 9.7 9.5 Stretching ratio in the area 1. drafting system - 2. drafting system v 3 / v 2 3,35 1.0 1.0 2.4 Total draw ratio v 3 / v 1 16.7 6.6 9.7 22.8 strength MPa 25.1 26.4 26.3 25.2 Modulus MPa 1152 1232 1170 1171 impact strength kJ / m 2 28.8 94.6 84.4 21.6 Impact strength kJ / m 2 3.1 2.9 2.4 2.0 Table 4

Versuche, die den Einsatz von Polyamid als Verstärkungskomponente in einer Matrix von Polypropylen betreffen sind ebenfalls nach der erfindungsgemäßen Technik erfolgreich unter Bildung von verstärkenden Fibrillen durchgeführt worden.Tries, the use of polyamide as a reinforcing component in a matrix of polypropylene are also according to the inventive technique successfully under formation have been performed by reinforcing fibrils.

Vorrichtungcontraption

Die Lösung der Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von fibrillenverstärkten Kunststoffcomposites anzugeben, erfolgt gemäß Anspruch 12.The Solution to the problem, a device for carrying out of the process according to the invention for the preparation indicate fibril-reinforced plastic composites, takes place according to claim 12.

1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von fibrillenverstärkten Kunststoffcomposites. 1 shows an apparatus for carrying out the method according to the invention for the production of fibril-reinforced plastic composites.

Die Vorrichtung 1 besteht aus einem gleichlaufenden Doppelschneckenextruder 2, der mit Mitteln 4a und 4b versehen ist, mindestens zwei Polymermaterialien zu dosieren. Durch einen Spritzkopf 3 wird die Schmelze als Strang ausgetragen.The device 1 consists of a co-rotating twin-screw extruder 2 who with means 4a and 4b is provided to dose at least two polymer materials. Through a spray head 3 the melt is discharged as a strand.

Der Strang durchläuft ein Streckwerk mit zwei Walzenpaaren 5 und 7 unterschiedlicher Geschwindigkeit. Nach dem ersten Walzenpaar 5, welches den Strang vom Spritzkopf abzieht, findet die Verstreckung statt. Dies wird dadurch bewirkt, dass das zweite Walzenpaar 7 mit höherer Geschwindigkeit betrieben wird, als das erste Walzenpaar 5. Der Strang verdünnt sich sehr stark und wird noch vor dem zweiten Walzenpaar 7 durch ein Wasserbad 6 geführt.The strand passes through a drafting system with two pairs of rollers 5 and 7 different speed. After the first pair of rollers 5 , which pulls the strand from the spray head, the stretching takes place. This is caused by the second pair of rollers 7 operated at a higher speed than the first pair of rollers 5 , The strand dilutes very strong and is still before the second pair of rollers 7 through a water bath 6 guided.

Die Granulierung des strangförmigen Blends erfolgt direkt nach dem zweiten Walzenpaar 7 in einer Granuliervorrichtung 8.The granulation of the strand-shaped blend takes place directly after the second pair of rolls 7 in a granulator 8th ,

Alternativ kann das strangförmige verstreckte Blend auch zunächst aufgewickelt oder in einen Behälter abgelegt werden und zu einem späteren Zeitpunkt geschnitten bzw. granuliert werden.alternative The string-shaped stretched blend may also be initially wound up or placed in a container and cut or granulated at a later date become.

Es beseht aber auch die Möglichkeit, das strangförmige verstreckte Blend in den Einzug eines Extruders einzuführen. Vorteilhaft ist hierbei, wenn mehrere solche Stränge dem Extruder zugeführt werden.It but also sees the possibility of the string-shaped To introduce stretched blend in the feeder of an extruder. It is advantageous if several such strands the Extruder be supplied.

Es erschließen sich dem Fachmann in nicht erfinderischer Weise ohne weiteres diverse weitere Gestaltungsmöglichkeiten, die vom Erfindungsgedanken umfasst sind.It become apparent to those skilled in an innovative way without further ado various other design options, which are encompassed by the inventive concept.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • - DE 2418803 [0016] - DE 2418803 [0016]

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung von fibrillenverstärkten Kunststoffcomposites, das dadurch gekennzeichnet ist, dass: – die Composites aus einer thermoplastischen Matrix und aus mindestens einer thermoplastischen Verstärkungskomponente gebildet werden, die miteinander nicht verträglich sind und bei der die Matrix gegenüber der Verstärkungskomponente eine niedrigere Schmelzetemperatur besitzt, – die Matrix und die Verstärkungskomponente im geschmolzenen Zustand gemischt werden, – die plastifizierte Mischung durch eine Düse ausgetragen wird, – die ausgetragene plastifizierte Mischung anschließend im heißen Zustand verstreckt wird, und – die verstreckte Mischung unter Spannung abgekühlt wird.Process for producing fibril-reinforced plastic composites, characterized in that: - the composites are formed from a thermoplastic matrix and from at least one thermoplastic reinforcing component which are incompatible with each other and in which the matrix has a lower melt temperature than the reinforcing component; Mix the matrix and the reinforcing component in the molten state, - The plasticized mixture is discharged through a nozzle, - The discharged plasticized mixture is then stretched while hot, and - The stretched mixture is cooled under tension. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastische Matrix Polyolefine oder niedrigschmelzende Polyamide oder schmelzbare aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Polymere ausgewählt werden.Method according to claim 1, characterized in that that as a thermoplastic matrix polyolefins or low-melting Polyamides or fusible derived from renewable raw materials Polymers are selected. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als verstärkende Materialien Polyamide oder Polyester oder Polycarbonate ausgewählt werden.Method according to claim 1 or 2, characterized as reinforcing materials, polyamides or polyesters or polycarbonates. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verstärkungskomponenten eingesetzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of reinforcing components be used. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Matrix zu 50 bis 95 Gew.-% und der Anteil der Verstärkungskomponente zu 5 bis 50 Gew.-% gewählt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the proportion of the matrix to 50 to 95 Wt .-% and the proportion of the reinforcing component to 5 bis 50 wt .-% is selected. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Composit verstreckt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the composite is stretched. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verhältnis 2 bis 20 verstreckt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that stretched in the ratio 2 to 20 becomes. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Composit durch zwei Walzenpaare mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verstreckt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the composite by two pairs of rollers is stretched at different speeds. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstreckte Composit unter Spannung gekühlt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the stretched composite under tension is cooled. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das verstreckte Composit in einem Wasserbad zwischen den zwei Walzenpaaren gekühlt wird.Method according to claim 8 or 9, characterized that the stretched composite in a water bath between the two Roller pairs is cooled. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Composite Fibrillen mit einer mittleren Länge von 0,1 bis 5 mm gebildet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the composite fibrils with a middle Length of 0.1 to 5 mm are formed. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bestehend aus einem gleichlaufenden Doppelschneckenextruder 2, der mit Mitteln 4a und 4b versehen ist, mindestens zwei Polymermaterialien zu dosieren und einem Spritzkopf 3, um die Schmelze als Strang auszutragen, sowie zwei Walzenpaaren 5 und 7, die unterschiedliche Geschwindigkeit aufweisen und den Strang verstrecken.Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 11, consisting of a co-rotating twin-screw extruder 2 who with means 4a and 4b is provided to dose at least two polymer materials and a spray head 3 to discharge the melt as a strand and two pairs of rolls 5 and 7 that have different speeds and stretch the strand. Vorrichtung nach Anspruch 12 mit einem Wasserbad nach dem ersten Walzenpaar 5.Apparatus according to claim 12 with a water bath after the first pair of rollers 5 , Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13 mit einer Granuliervorrichtung 8 nach dem zweiten Walzenpaar 7.Device according to one of claims 12 or 13 with a granulating device 8th after the second pair of rollers 7 , Fibrillenverstärkte Kunststoffcomposites, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11.Fibril-reinforced plastic composites, prepared according to the method according to one of Claims 1 to 11.
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