DE102007031467A1

DE102007031467A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffs und Verbundstoff

Info

Publication number: DE102007031467A1
Application number: DE102007031467A
Authority: DE
Inventors: Gerald Dr. Hauf
Original assignee: POLYMER CHEMIE GmbH; POLYMER-CHEMIE GmbH
Current assignee: POLYMER CHEMIE GmbH; POLYMER-CHEMIE GmbH
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffs sowie den faserverstärkten Verbundstoff als solchen. Die vorliegende Erfindung will ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstoffen angegeben, welches zu entsprechenden Produkten führt, die eine gute mechanische Festigkeit haben und welches hinsichtlich seiner Verfahrensführung einfach durchzuführen ist. Darüber hinaus wird mit der vorliegenden Erfindung ein mit dem Verfahren herstellbares Produkt vorgeschlagen. Zur Lösung dieses Problems wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffs angegeben, bei dem eine Vielzahl von Endlosfäden durch ein Bad, enthaltend Caprolactam und andere Ausgangsstoffe für Polyamid 6, hindurchgeleitet und mit den das Bad bildenden Ausgangskomponenten benetzt werden, die benetzten Endlosfäden in einen Ofen eingebracht werden, in dem Caprolactam anionisch zu an den Endlosfäden anhaftendem Polyamid 6 polymerisiert und Endlosfäden mit anhaftendem Polyamid 6 auf die gewünschte Länge geschnitten werden. Des Weiteren wird mit der vorliegenden Erfindung eine Kunststoffmatrix angegeben, die im Wesentlichen durch mittels anionischer Polymerisation von Caprolactam als wesentliche Ausgangskomponente hergestelltes Polyamid 6 gebildet ist und bei der die Fasern Glasfasern mit einer Länge von wenigstens zwei Millimetern sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffs sowie den faserverstärkten Verbundstoff als solchen.
Faserverstärkte Verbundstoffe, insbesondere faserverstärkte Thermoplaste werden für viele Anwendungen, insbesondere in Spritzgussteilen für die Automobilindustrie und anderen Industrien verwendet. Die Fasern werden mit dem Ziel in der Kunststoffmatrix eingesetzt, die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit zu verbessern. Die erreichbaren Eigenschaften hängen stark von der Faserbeschaffenheit und Faserlänge im Bauteil, wie auch der Dispergiergüte der Fasern in der Kunststoffmatrix ab. Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften ist die Verwendung langer Fasern, insbesondere Glasfasern, zu bevorzugen. Solche lange Fasern lassen sich aber nicht so leicht in der Kunststoffmatrix dispergieren. Bei unzureichender Benetzung der Fasern mit der Kunststoffmatrix können die gewünschten Eigenschaftsverbesserungen an dem faserverstärkten Verbundstoff indes nicht erreicht werden.
Dementsprechend ist die Faserverstärkung von Kunststoffen für gewisse Materialkombinationen zwischen Fasern einerseits und Kunststoffmatrix andererseits einfach zu realisieren und üblich. Mit höherer Viskosität der Kunststoffmatrix beim Umhüllen der Fasern und mit länger werdender Faserlänge wird die Einhaltung der gewünschten Dispergiergüte zunehmend schwierig. Aus diesem Grund sind in spritzgegossenen Bauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten in der Regel Fasern mit einer Länge von 0,1 bis 0,5 mm enthalten.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Bauteile (bzw. Granulate) aus einem faserverstärkten Thermoplasten mit größerer Faserlänge herzustellen. Solche Vorschläge sind in der Patentliteratur beispielsweise in der EP 0 056 703 bzw. der EP 0 579 047 beschrieben. Bei diesem Stand der Technik wird ein Faserstrang mittels Pultrusionstechnologie mit der Kunststoffmatrix benetzt. Der so benetzte Strang wird auf Längen von zwischen 10 und 25 mm geschnitten.
Spritzgegossene oder gepresste Bauteile, die mit derartigen langglasfaserverstärkten Compounds hergestellt werden, besitzen eine höhere durchschnittliche Faserlänge zwischen 3 und 15 mm, so dass entsprechende Bauteile verbesserte mechanische Eigenschaften gegenüber aus herkömmlichen faserverstärkten Thermoplasten hergestellte Bauteile haben.
Die grundsätzliche Schwierigkeit bei dem vorerwähnten Pultrusionsverfahren besteht darin, eine ausreichende Faserbenetzung in Pultrusionswerkzeug zu erreichen. In dem Pultrusionswerkzeug wird der als Endlosstrang zugeführte Roving umgelenkt, um hierdurch innerhalb des Rovings Freiräume zu schaffen, in welche die Kunststoffmatrix eindringen und die einzelnen Fasern benetzen kann. Die Viskositäten der hierbei zum Einsatz kommenden Thermoplasten liegen bei den im Pultrusionswerkzeug vorherrschenden Temperaturen und Schergeschwindigkeiten bei zwischen 100 und 1.000 Pa s. Ein Arbeiten in dem Bereich zwischen 10 und 1.000 Pa s ist in der EP 0 579 047 beschrieben. Dieser Stand der Technik offenbart eine spezielle Verfahrensführung, mit der höherviskose Kunststoffe als z. B. mit dem Verfahren gemäß EP 0 056 703 im Wege de Pultrusion zu Langglasfaser-Compound verarbeitet werden können. Bei einer derart hohen Viskosität bedarf es regelmäßig einer besonderen Verfahrensführung, um ein Durchdringen des Rovings mit der Matrix und eine Benetzung des Faserstranges zu erreichen. Übliche Kunststoffmatrix-Werkstoffe faserverstärkter Compounds sind PP-Typen mit einen MFI von 50 entsprechend einer Viskosität von 10 und 100 Pa s.
Die vorliegende Erfindung will ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstoffen angegeben, welches zu entsprechenden Produkten führt, die eine gute mechanische Festigkeit haben und welches hinsichtlich seiner Verfahrensführung einfach durchzuführen ist. Darüber hinaus wird mit der vorliegenden Erfindung ein mit dem Verfahren herstellbares Produkt vorgeschlagen werden.
Die mit der vorliegenden Erfindung vorgestellte Lösung des verfahrensmäßigen Problems ist in Anspruch 1 angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vielzahl von Endlosfäden durch ein Bad hindurchgeleitet. Dieses Bad enthält Ausgangskomponenten von Polyamid, insbesondere Ausgangskomponenten von Polyamid 6. Hierzu gehören in der Regel Caprolactam sowie wenigstens ein Katalysator, beispielsweise Natrium-Caprolactam oder Magnesium-Bromidlactamat, sowie ein Aktivator, in der Regel das funktionale Molekül, wie z. B. Hexamethylendiisocyanat oder Acyllactamat. Mit diesen Ausgangskomponenten werden die Endlosfäden benetzt. Initiiert durch Wärmezufuhr erfolgt danach eine anionische Polymerisation von Caprolactan zu Polyamid 6, welches hierbei an den Endlosfäden anhaftet. Dieser mit Polyamid 6 benetzte Endlosstrang wird danach auf die gewünschte Länge geschnitten.
Es hat sich gezeigt, dass ein die Ausgangskomponenten für Polyamid 6 enthaltendes Bad zu einer hohen Benetzung von durch das Bad hindurch geführten Fasern führt. Die Aus gangskomponenten können so eingestellt werden, dass die Flüssigkeit in dem Bad eine geringe Viskosität bis zu 1 mPa als Untergrenze haben kann. Bei einer solchen Viskosität kann eine vollständige Benetzung der Fasern bzw. der Einzelfilamente der Fasern mit der Flüssigkeit garantiert werden. Der so benetzte Faserstrang wird in einen Ofen verbracht, regelmäßig durch einen Heißluftofen hindurch geleitet. Bei Temperaturen von 200°C und 250°C polymerisiert das monomere Caprolactam anionisch zu Polyamid 6. Dieses Polymer haftet hervorragend an den Fasern an, die hernach auf die gewünschte Länge geschnitten werden. Dabei ist insbesondere daran gedacht, faserverstärktes Polyamid mit langen Fasern herzustellen. Als lange Fasern im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Fasern mit einer Faserlänge von 2 mm und mehr angesehen.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das mit dem nebengeordneten Aspekt zur Lösung des obigen Problems mit der vorliegenden Erfindung vorgestellte Zeugnis ist ein faserverstärkter Verbundstoff umfassend eine Kunststoffmatrix und von dieser benetzte Fasern. Dieser faserverstärkte Verbundstoff zeichnet sich dadurch gegenüber vorbekannten faserverstärkten Kunststoffen aus, dass die Kunststoffmatrix im wesentlichen durch mittels anionischer Polymerisation von Caprolactam als wesentliche Ausgangskomponente hergestelltes Polyamid 6 gebildet ist. Die Kunststoffmatrix soll überwiegend, vorzugsweise nahezu ausschließlich, bevorzugt aus Polyamid 6 gebildet sein. Diese Kunststoffmatrix ist gemäß der vorliegenden Erfindung mit Glasfasern verstärkt, die eine Länge von wenigstens 2 mm haben.
Zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel angegeben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Caprolactam in einem beheizten Behälter bei Temperaturen von 75°C, d. h. über dem Schmelzpunkt von 70°C, mit 10% Hexamethylendiisocyanat vorgemischt. Im zweiten Behälter wird Caprolactam ebenfalls bei 75°C mit 2% Natrium-Caprolactam vorgemischt. Aus beiden Behältern wird gleichmäßig durch ein statistisches Mischelement flüssiges Caprolactam in einen Tauchbehälter dosiert. Dieses flüssige Caprolactam der Mischung der beiden Behälterflüssigkeiten zu gleichen Teilen hat 5% Hexamethylendiisocyanat und 1% Natrium-Caprolactam. Über Umlenkrollen werden 20 parallele Glasfaserrovings mit jeweils 1200 tex bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 20 m/min gezogen. Die Umlenkrollen sind in die Flüssigkeit in dem Tauchbehälter eingebracht. Dement sprechend werden die Glasfaserrovings innerhalb der Flüssigkeit des Tauchbehälters umgelenkt. Hierdurch werden die einzelnen Glasfasern bzw. Glasfaserstränge benetzt. Danach werden die Glasfaserstränge durch Kalibrierdüsen von 1,6 mm Durchmesser gezogen.
Zur Polymerisation werden die so benetzten Endlosfäden erwärmt. Dies erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel in einem etwa 5 m langen Heißluftkanal mit einer eingestellten Solltemperatur von 230°C. Die sich hierbei ergebende Verweilzeit reicht aus, das Caprolactam innerhalb des Heißluftofens zu Polyamid 6 zu polymerisieren. Da hierbei teilweise Caprolactam verdampft, muss während der Polymerisation für einen ausreichende Abzug von Gas aus der Ofenstrecke gesorgt werden.
Die so erhaltenen mit Polyamid 6 benetzten Glasfaserstränge werden durch einen Bandabzug geführt und danach in einem Granulator zu Granulat mit einer Stäbchenlänge von 12 mm geschnitten.
Der so erhaltene faserverstärkte Polyamid Compoud zeigte trocken die folgenden mechanischen Eigenschaften:

Zug-E-Modul: 12000 MPa;

Biege-E-Modul: 10500 MPa;

Zugfestigkeit: 215 MPa;

Biegefestigkeit: 305 MPa;

Kerbschlagzähigkeit: 30 kJ/m² (nach Charpy, 23°C)
Das erhaltene Granulat zeigte einen hohen Grad der Benetzung der einzelnen Fasern mit dem Polyamid. Mindestens etwa 95% der Außenumfangsfläche der Einzelfäden war mit Polyamid benetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0056703 [0004, 0006]
- EP 0579047 [0004, 0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffs, bei dem eine Vielzahl von Endlosfäden durch ein Bad enthaltend Caprolactam und andere Ausgangsstoffe für Polyamid 6 hindurchgeleitet und mit den das Bad bildenden Ausgangskomponenten benetzt werden, die benetzten Endlosfäden in einen Ofen eingebracht werden, in dem Caprolactam anionisch zu an den Endlosfäden anhaftendem Polyamid 6 polymerisiert und schneiden der Endlosfäden mit anhaftendem Polyamid 6 auf die gewünschte Länge.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfäden in dem Bad über mehrere Umlenkrollen gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfäden als Faserstrang durch das Bad hindurchgeleitet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfäden mit anhaftendem Polyamid 6 auf eine Länge von wenigstens 2 mm, vorzugsweise auf eine Länge von 2 bis 10 mm geschnitten werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangskomponenten der anionischen Polymerisation so gewählt werden, dass ein polymerisiertes Polyamid 6 mit niedrigem Molekulargewicht erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangskomponenten der anionischen Polymerisation so gewählt werden, dass ein für den Spritzguss geeignetes Polyamid 6 mit Molekulargewicht zwischen 10.000 und 25.000 erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem anionisch polymerisierten Polyamid 6 bis zu 60% Polyamid-Recyclat zugesetzt wird.
Faserverstärkter Verbundstoff umfassend eine Kunststoffmatrix und von dieser benetzte Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix im Wesentlichen durch mittels anionischer Polymerisation von Caprolactam als wesentliche Ausgangs komponente hergestelltes Polyamid 6 gebildet ist und dass die Fasern Glasfasern mit einer Länge von wenigstens zwei Millimetern sind.