DE19520477A1 - Faserverstärkte, thermisch expandierte Thermoplastfolie und Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine faserverstärkte, thermisch expandierte Thermoplast­ folie oder Thermoplastplatte, sowie ein unter Verwendung dieser Folie oder Platte hergestelltes Bauteil.

Aus der DE-OS 42 08 812 ist eine mehrschichtige Leichtbauplatte bekannt, die aus einem innenliegenden Stützkern mit Wabenstruktur und zwei außen­ liegenden Deckschichten aus Thermoplastfolien aufgebaut ist. Derartige Leichtbauplatten werden bevorzugt als Konstruktionsteile, beispielsweise im Kraftfahrzeug- oder Flugzeugbau oder für Bauwerke, verwendet und zeichnen sich vor allem durch ihre hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig niedri­ ger Dichte aus. Der Nachteil dieser Platten liegt insbesondere in der aufwendi­ gen Herstellung des wabenförmig strukturierten Stützkerns.

Es stellte sich demnach die Aufgabe, weniger komplizierte Stützkerne bereit­ zustellen, sowie Bauteile zu finden, die einen einfacheren Stützkern enthalten, bei gleichzeitig zufriedenstellendem Eigenschaftsprofil für den jeweiligen Einsatzzweck, insbesondere im Hinblick auf niedere Dichte und hohe Stei­ figkeit.

Die Lösung der Aufgabe ergab sich in der Verwendung einer sehr einfach her­ zustellenden expandierten Thermoplastfolie oder -platte als Stützkern.

Gegenstand der Erfindung ist demnach eine faserverstärkte Thermoplastfolie oder Thermoplastplatte, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie thermisch ex­ pandiert ist.

Als Folien- oder Plattenmaterial können alle thermoplastisch verformbaren Kunststoffe eingesetzt werden. Beispiele für derartige Thermoplaste sind z. B. Polyolefine, Polyamide, Polyester, Polystyrol, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere, thermoplastische Polyurethane und Polyester, Polyimide, Polysulfone, Polyetherketone, Polyetherimide, Polyether­ sulfone, Polyphenylensulfid. Bevorzugt verwendet werden Polyolefine, wie z. B. Polyethylene, Polypropylene oder Ethylen-Propylen-Copolymere.

Die Faserverstärkung erfolgt beispielsweise in Form von Einzelfasern, als Ge­ webe, Vlies, Matte oder als unidirektional orientiertes Gelege. Entsprechend den geforderten mechanischen Eigenschaften sind als Verstärkungsfasern bei­ spielsweise Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Cellulosefasern, Keramik­ fasern, Metallfasern, Naturfasern wie z. B. Hanf, Jute, Sisal, Kokos oder Synthesefasern wie z. B. Polyamid, Polyester, Viskose einsetzbar. Es erweist sich als vorteilhaft, Faserlängen von über 1 mm einzusetzen. Die Faserlängen liegen jedoch bevorzugt bei über 5 mm, besonders bevorzugt bei über 25 mm. Auch die Verwendung von Endlosfasern ist möglich.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Folien oder Platten erfolgt dadurch, daß faserverstärkte Thermoplastplatten oder -folien durch Wärmezufuhr über den Schmelzpunkt des Thermoplasten erhitzt werden, wobei die Folien oder Platten aufgrund der Rückstellkräfte der Verstärkungsfasern, die im nunmehr nicht mehr erstarrten Thermoplasten nicht mehr zusammengedrückt werden, expandieren. Die Wärmezufuhr erfolgt beispielsweise in handelsüblichen Öfen oder Pressen, beispielsweise mittels üblicher Wärmeträgermedien, Heißluft, Infrarot- oder Hochfrequenzheizung. Die Expansionstemperatur liegt beispiels­ weise im Falle der Verwendung von Polypropylenen, die je nach Type Schmelztemperaturen von etwa 130 bis 169°C besitzen, bevorzugt bei etwa 180 bis 250°C.

Bei der Expansion steigt die Dicke der Platte, vor allem in Abhängigkeit von der Art der Faserverstärkung bzw. von der Art der Vernadelung bei Verwendung von Vliesen oder Matten, etwa auf das 1,5- bis 5fache. Bei der Verwendung von beispielsweise handelsüblichen Vliesen oder Matten als Verstärkungsfa­ sern zur Herstellung der faserverstärkten Folien oder Platten nimmt die Dicke bei der Expansion ungefähr auf das 2- bis 3fache zu. Im Anschluß an die thermische Expansion wird die nunmehr vorliegende expandierte Struktur der Platten oder Folien durch Abkühlen unter die Schmelztemperatur stabilisiert.

Die thermische Expansion der faserverstärkten Thermoplastplatten oder -folien kann entweder diskontinuierlich oder in kontinuierlichen Verfahren erfolgen. Besonders bevorzugt gelingt die thermische Expansion in einem kontinuierli­ chen Verfahren direkt im Anschluß an die Herstellung der faserverstärkten Platten oder Folien. Dabei werden, wie beispielsweise in der EP-B-0 345 463 beschrieben, der Thermoplast und die Faserverstärkung auf einer Doppelband­ presse bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Thermoplasten konti­ nuierlich verpreßt und anschließend, ohne daß unter den Schmelzpunkt abge­ kühlt wird, aus der Doppelbandpresse abgezogen, wobei die nunmehr nicht mehr unter Druck stehenden Platten oder Folien im selben Arbeitsgang kontinuierlich expandieren und anschließend zur Stabilisierung der expandierten Struktur abgekühlt werden. Auf diese Weise können die erfindungsgemäßen expandierten Platten oder Folien sowohl in sehr einfacher Weise als auch sehr energiesparend hergestellt werden.

Eine weitere Erhöhung der Expansion der erfindungsgemäßen Platten oder Foli­ en kann beispielsweise durch Einbringen von Gasen, wie z. B. Luft oder Stick­ stoff in die expandierenden heißen Platten oder Folien, beispielsweise mit Hilfe von Injektionsnadeln, oder durch Verwendung von Treibmitteln erzielt werden.

Die erfindungsgemäßen thermisch expandierten, faserverstärkten Thermoplast­ platten oder -folien besitzen gute Festigkeiten und Steifigkeit sowie eine ge­ ringe Dichte und werden bevorzugt zur Herstellung von mehrschichtigen Bauteilen mit guter Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte verwendet.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist demnach ein mehrschichtiges Bau­ teil, das mindestens einen thermoplastischen Stützkern und mindestens eine Deckschicht enthält, bei dem der Stützkern aus einer faserverstärkten, ther­ misch expandierten Thermoplastfolie oder Thermoplastplatte besteht.

Als Deckschichten kommen sowohl Platten oder Folien aus Kunststoffen als auch aus Metallen, vorzugsweise aus Aluminium in Frage. Als Kunststoffe sind sowohl Thermoplaste wie z. B. solche, die auch für den Stützkern eingesetzt werden, als auch Duroplaste, wie z. B. Melamin-, Harnstoff- oder Phenolharze, Polyurethane oder Polyester möglich. Bevorzugt werden Thermoplastplatten oder Thermoplastfolien als Deckschichten verwendet, die besonders bevor­ zugt, analog zum Stützkern ebenfalls faserverstärkt sind. Im Falle von Metall­ folien oder Duroplastfolien ist die Verwendung von Klebern oder Klebefolien zur Verbindung der Deckschichten mit den Stützkernschichten vorteilhaft. Der besondere Vorteil von Deckschichten aus Thermoplasten liegt insbesondere darin, daß sie durch Verschweißen ohne Verwendung von zusätzlichen Kleber­ schichten eine feste Verbindung mit dem Stützkern ergeben.

Die erfindungsgemäßen Bauteile können auch aus mehr als 2 Schichten aufge­ baut sein, wobei beispielsweise abwechselnd ein Stützkern und eine Deck­ schicht angeordnet sind. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Deckschichten oder zwei oder mehr Schichten von Stützkernen anzuordnen. Bevorzugt be­ steht das Formteil aus einem in der Mitte liegenden Stützkern und je einer oben und unten angeordneten äußeren Deckschicht. Es ist auch möglich, weitere Schichten mitzuverpressen, beispielsweise Klebefolien im Falle der Verwendung von Deckschichten aus Metallfolien oder Duroplastfolien oder elastische Zwischenschichten.

Die erfindungsgemäßen Bauteile liegen beispielsweise in Form von Platten, Profilen oder Formteilen vor und können beispielsweise als Schaltafeln, Ab­ deckungen oder Strukturbauteile im Automobilbau, wie z. B. Trennwände, Batteriekastenabdeckungen oder Reserveradabdeckungen verwendet werden.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteile erfolgt dadurch, daß ein oder mehrere Stützkerne aus einer faserverstärkten, thermisch expandierten Ther­ moplastfolie oder Thermoplastplatte gemeinsam mit mindestens einer Deck­ schicht in einer Presse oder mittels Walzen verpreßt werden. Im Falle der Ver­ wendung von thermoplastischen Deckschichten werden dabei beispielsweise eine oder mehrere heiße Lagen von oberen und unteren Deckschichten ge­ meinsam mit einer oder mehreren Lagen des erfindungsgemäßen thermisch expandierten, jedoch kalten Stützkerns gemeinsam in einer Formpresse ver­ preßt. Die dabei erhaltenen sandwichartig aufgebauten Bauteile weisen gute Festigkeiten und hohe Steifigkeit bei niedriger Dichte auf.

Beispiel 1 Herstellung eines Stützkerns

Auf einer Doppelbandpresse wurden, wie beispielsweise in der EP-B-345 463 beschrieben, 2 Glasfasermatten mit einem Flächengewicht von je 620 g/m² (Faserlänge 100 mm, Fa. PPG) mit einem Propylen- Homopolymer (PP-Type Daplen® US 105A, Fa. PCD Polymere, MFI 50 g/10 min. gemäß ISO R1133 bei 230°C und 2,16 kg) bei 220°C und 3,7 mm Spaltbreite imprägniert. Die erhaltene faserverstärkte PP-Bahn, die einen Glasfaseranteil von 30 Gew.-% aufwies, wurde in der Kühlzone der Doppelbandpresse nur an der Oberfläche so weit abgekühlt, daß sich das oberflächlich erstarrte PP von den Stahlbän­ dern der Presse ablöste, wobei der Kern möglichst heiß belassen wurde. Nach dem Austreten aus der Doppelbandpresse wurde die PP-Bahn mittels IR-Strah­ lern weiter erhitzt, um auch die Oberfläche wieder über den Schmelzpunkt aufzuheizen, wobei sie aufgrund der Faserrückstellkräfte auf eine Dicke von etwa 10-12 mm expandierte. Anschließend wurde abkühlen gelassen, wobei die expandierte Struktur und die Bahndicke stabilisiert wurden. Die erhaltene, sehr voluminöse PP-Bahn mit einer Dichte von 0,34 kg/dm³ weist gute Festig­ keiten und Steifigkeit sowie einen homogenen Aufbau von Glasfaser zu PP- Matrix auf.

Beispiel 2 Herstellung eines Sandwich-Formteils

In eine auf 60°C (Werkzeugoberfläche) aufgeheizte Formpresse (Fa. Langzau­ ner) wurden zwischen zwei auf 220°C aufgeheizte glasmattenverstärkte PP- Folien mit einer Dicke von je 1,3 mm, einem Flächengewicht von je 1500 g/m² und einem Glasfaseranteil von 30 Gew.-% (entsprechend Daplen® TC-U30 von Fa. PCD Polymere), eine Lage des auf Raumtemperatur belassenen gemäß Bei­ spiel 1 erhaltenen Stützkerns (4150 g/m²) eingelegt und mit einer Preßkraft von 5 N/mm² verpreßt. Die Kavität des Werkzeugs wurde dabei so gewählt, daß die expandierte Struktur des kalten Stützkerns nicht zerstört wurde. Beim Preßvorgang bildete sich eine stabile Schweißverbindung zwischen den einzel­ nen Lagen aus. Das erhaltene Sandwich-Formteil besaß eine Dicke von 15 mm, ein Flächengewicht von 7150 g/m² und eine Dichte von 0,47 kg/dm³.

Claims (10)

1. Faserverstärkte Folie oder Platte aus Thermoplasten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie thermisch expandiert ist.

2. Faserverstärkte Folie oder Platte gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstärkungsfasern eine Länge von über 5 mm, beson­ ders bevorzugt von über 25 mm aufweisen.

3. Faserverstärkte Folie oder Platte gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Thermoplaste Polypropylene sind.

4. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, thermisch expandierten Folien oder Platten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß faserverstärkte Folien oder Platten aus Thermoplasten über ihren Schmelzpunkt erwärmt werden, wobei die Folien oder Platten auf­ grund der Rückstellkräfte der Verstärkungsfasern expandieren.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Doppelbandpresse austretende faserverstärkte Folien oder Platten aus Thermoplasten ohne Abkühlung unter den Schmelzpunkt aus der Doppel­ bandpresse abgezogen werden, wobei sie expandieren.

6. Mehrschichtiges Bauteil, das mindestens einen thermoplastischen Stütz­ kern und mindestens eine Deckschicht enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkern aus einer faserverstärkten, thermisch expandierten Folie oder Platte aus Thermoplasten besteht.

7. Bauteil gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkern zwischen einer oberen und einer unteren Deckschicht angeordnet ist.

8. Bauteil gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deck­ schichten aus Folien oder Platten aus Thermoplasten bestehen, die bevor­ zugt faserverstärkt sind.

9. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Stützkerne aus einer fa­ serverstärkten, thermisch expandierten Thermoplastfolie oder Thermopla­ stplatte gemeinsam mit mindestens einer Deckschicht in einer Presse ver­ preßt werden.

10. Verwendung von faserverstärkten, thermisch expandierten Thermoplast­ folien oder Thermoplastplatten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines mehrschichtigen Bauteils.