AT394050B

AT394050B - Schwer entflammbarer, hochtemperaturbestaendiger formkoerper auf basis von polyimidfasern, sowie verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: AT394050B
Application number: AT155390A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Reiter; Alois Traweger; Klaus Dipl Ing Dr Weinrotter
Original assignee: Chemiefaser Lenzing Ag
Priority date: 1990-07-24
Filing date: 1990-07-24
Publication date: 1992-01-27
Also published as: ATA155390A; DE9108546U1

Description

AT 394 050 B

Die Erfindung betrifft einen schwer entflammbaren hochtemperaturbeständigen Formkörper auf Basis von Polyimidfasem der allgemeinen Formel

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0 o /\ /\

A N

V V o o worin n eine ganze Zahl größer als 1 bedeutet und A für eine vierbindige aromatische Gruppe ausgewählt aus

oder steht, worin X eine der Gruppen CO, CI^, O, S, bedeutet und R für mindestens eine der folgenden zweibindigen aromatischen Gruppen, ausgewählt aus

worin X wie oben definiert ist, steht, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Aromatische Polyimide sind u. a. wegen ihrer ausgeprägten Thermostabilität und ihrer Schwerentflammbariceit begehrte Kunststoffe. Die Herstellung von Formkörpem aus Polyimid-Faserverbund, sowie die Herstellung der dazu geeigneten Fasern ist aus der AT-PS 391 710 bekannt. Diese Fasern entwickeln unter Hitzeeinwirkung eine hohe Schrumpfkraft und gestatten die Herstellung von Formkörpem hoher Festigkeit bei verhältnismäßig niedriger Dichte. Die Formkörper sind spanabhebend bearbeitbar und plastisch verformbar. Sie werden hergestellt, indem ein Polyimidfaserverbund, z. B. ein Gewebe, Vlies oder Nadelfilz, in einlagiger oder mehrlagiger Form unter Hitzeeinwirkung und gegebenenfalls unter Druckeinwirkung bei einer Temperatur zwischen 280 °C und 350 °C verpreßt wird. Dies» Temperaturbereich entspricht dem Glasumwandlungsbereich der Polyimidfasem.

Der Anwendungsbereich von Polyimidfasem auf Basis der eingangs beschriebenen Strukturelemente ist überall dort gegeben, wo eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine Schwerentflammbarkeit verlangt wird. Aus diesem Grund sind Formkörper aus diesen Polyimidfasem vor allem als Konstruktionsmaterialien in der Flugzeug-, in der Elektro- und in der Kraftfahrzeugindustrie gefragt

Als Verkleidungsmaterialien werden sie allerdings noch wenig verwendet da die Oberfläche der heute bekannten Formkörper eine geringe Härte auf weist und ihre mechanische Beanspruchbarkeitbeschränkt ist Es wäre erwünscht, den Formkörpem eine glatte, pflegeleichte und zugleich widerstandsfähige Oberfläche zu verleihen, oder die Oberfläche mit dekorativen Elementen zu versehen. Weiters geht das Bestreben dahin, die Dampfdurchlässigkeit der Formkörper aufgrund ihrer Porosität herabzusetzen und ihre Gestaltbarkeit zu verbessern, um ihre Verwendbarkeit -2-

AT 394 050 B als Verkleidungsmaterial zu erweitern.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch einen Formköiper gelöst, der gekennzeichnet istdurch die Kombination der folgenden Merkmale, - daß die Härte nach Rockwell an mindestens einer Oberfläche zwischen 70 HRM und 80 HRM, vorzugsweise zwischen 72 HRM und 78 HRM, beträgt, - daß die Härte nach Rockwell in seinem Kern zwischen 110 HRM und 120 HRM, beträgt - daß die Dichte in seinem Kern zwischen 1,20 g/cm^ und 1,35 g/cm^ beträgt und • daß die Dichte vom Kem bis an die Oberfläche kontinuierlich abnimmt.

Der erfindungsgemäße Formkörper besitzt eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastung und Verschleiß. Die Oberfläche kann auch dekorativ gestaltet, das heißt geprägt, sein, ohne daß die Widerstandsfähigkeit darunter leidet. Durch die hohe Härte im Kem besitzt der erfindungsgemäße Formkörper eine erhöhte Durchschlagssicherheit, welche besonders für Verkleidungsmaterialien erwünscht ist

Der erfindungsgemäße Formkörper besitzt einen Dichtegradienten, da er in seinem Kem eine höhere Dichte aufweist als an seinen Oberflächen. Dadurch kann er zwar Dampf aus seiner Umgebung aufnehmen, ihn aber praktisch nicht durchlassen, da die hohe Dichte in seinem Kem als Dampfsperre wirkt Der erfindungsgemäße Formkörper wirkt somit isolierend.

Der Dichtegradient verbessert aber auch die mechanischen Eigenschaften, da der Formkörper aufgrund der höheren Kemdichte einer Druckbelastung standhalten kann und aufgrund der niedrigeren Dichte der äußeren Schichten trotzdem elastisch bleibt.

Der erfindungsgemäße Formkörper kann bis zu 49 % Masse aus anderen hochtemperaturbeständigen organischen und/oder hochtemperaturbeständigen anorganischenFasem bestehen, wobei als solche insbesondereGlasfasem und/oder Polytetrafluoräthylenfasem in Frage kommen.

Der erfindungsgemäße Formkörper kann hergestellt werden, indem stufenweise - ein Faserverbund auf Basis von Polyimidfasem der eingangs genannten Struktur auf eine Temperatur über 200 °C und unter 280 eC erhitzt wird, - der erhitzte Faserverbund bei einem Druck zwischen 150 bar und 250 bar, vorzugsweise zwischen 190 und 210 bar, vorverpreßt wird, um einen Vorpreßling herzustellen, - der Vorpreßling auf eine Temperatur zwischen 320 °C und 340 °C erhitzt wird, um ihn zu tempern, - der getemperte Vorpreßling auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 280 °C abgekühlt und anschließend bei einem Druck zwischen 250 bar und 350 bar, vorzugsweise zwischen 290 bar und 310 bar, fertiggepreßt wird.

Es hat sich gezeigt, daß der letzte Preßvorgang auch als Prägung ausgeführt werden kann, wobei die Oberfläche des erfindungsgemäßen Formkörpers beliebig gestaltet und strukturiert werden kann.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der erhitzte Faserbund während einer Zeitdauer von 15 min bis 30 min vorgepreßt wird. Der Vorpreßling wird weiters am besten während einer Zeitdauer von 15 min bis 60 min getempert.

Als Faserverbund können auch mehrlagige Vliese und/oder mehrlagige Nadelfilze, eingesetzt werden, wobei der Faserverbund bis zu 49 % Masse aus hochtemperaturbeständigen anorganischen und/oder anderen hochtemperaturbeständigen anorganischen Fasern besteht. Als solche haben sich insbesondere Glasfasern und Polytetrafluoräthylenfasem bewährt. Durch die Verarbeitung mehrlagig» Vliese ist es möglich, Formkörper, insbesondere Platten, mit praktisch beliebiger Schichtdicke herzustellen. Der erfindungsgemäße Formkörper eignet sich besonders zur Thermoisolation von Gegenständen wie Werkzeugen, als druckbelastete Wärmeschutzplatten, sowie zur Werkzeugauskleidung für den Nichteisenmetallbereich.

Mit den nachfolgenden Beispielen wird die Erfindung noch näher beschrieben.

Beispiel 1 Fünf Lagen eines Nadelfilzes aus Polyimidfasem, hergestellt aus Benzophenon-3,3',4,4’-tetracarbonsäuredi-anhydrid und 4,4’-Methylen-bis-(phenylisocyanat) und 2,4- und 2,6-Toluylen-diisocyanat (Handelsbezeichnung P84, Hersteller: Lenzing Aktiengesellschaft), mit einem Verstreckungsverhältnis von 1:4 und einem Gehalt an niedermolekularen Bestandteilen, wie Dimethylformamid undOligomeren, mit 1,5 Massen %, wurden übereinander gestapelt Jeder Nadelfilz war ca. 12 mm dick und wies ein Flächengewicht von 1000 g/m^ auf.

Dieser Faserverbund wurde auf 270 °C erhitzt und in einer Plattenpresse (Plattentemperatur: 270 °C) während einer Dauer von 30 min und einem Druck von 16 N/mm^ vorgepreßt. Der erhaltene Vorpreßling war 4,2 mm dick -3-

AT 394 050 B q und besaß eine Dichte von 1,2 g/cm .

Es hat sich als sinnvoll erwiesen, wahrend des Yorpreßvorganges die Presse mehrere Male kurz zu lüften, um ein Ausgasen von Feuchte zu ermöglichen.

Der Vorpreßling wurde anschließend während einer Dauer von 30 min bei einer Temperatur von 340 °C getempert, wodurch der Vorpreßling schrumpfte. Die Dicke betrug 8,6 mm. Der getemperte Vorpreßling wurde auf 275 °C abgekühlt und in einer Plattenpresse 30 min bei einem Druck von 300 bar verpreßt (Temperatur: 275 °C). Der erhaltene plattenartige Formkörper war 8,25 mm dick und wies folgende Eigenschaften auf: Härte (nach Rockwell):

Kern: 117 HRM

Oberfläche: 74 HRM

Dichte: 1,22 g/cnr 1,26 g/cm·* 0,14 W.m’^K*1

Kern:

Oberfläche: Wärmeleitfähigkeit (20 °C):

Beispiele 2 bis 5 Für die Beispiele 2, 3 und 4 wurde der in Beispiel 1 beschriebene Polyimid-Nadelfilz als Ausgangsmaterial verwendet, wobei für das Beispiel 3 eine Lage verwendet wurde, für das Beispiel 2 zehn Lagen und für das Beispiel 4 dreißig Lagen übereinander gestapelt wurden. Für das Beispiel 5 wurden fünf Lagen Nadelfilz übereinander gestapelt, welcher Nadelfilz zu 80 % aus den in Bsp. 1 genannten Polyimidfasern und zu 20 % aus Polytetrafluor-äthylenfasem bestand (Dicke pro Lage: ca. 12 mm; Flächengewicht: 1000 g/nr).

Die Ausgangsmaterialien wurden wie in Bsp. 1 beschrieben verarbeitet, wobei die in der nachfolgenden Tabelle 1 angegebenen Bedingungen angewandt wurden. Die Eigenschaften des erhaltenen erfindungsgemäßen Formkörpers sind aus der Tabelle 2 ersichtlich. Die angegebene Härte wurde nach Rockwell bestimmt.

Tabelle 1

Beispiel Nr. 2 3 4 5 Vorverpressen Temperatur 278 °C 280 °C 270 °C 270 °C Druck 160 bar 160 bar 160 bar 160 bar Dauer 30 min 30 min 30 min 30 min Tempern Temperatur 340 °C 340 °C 340 °C 340 °C Dauer 30 min 20 min 45 min 30 min Fertigverpressen Temperatur 278 °C 280 °C 275 °C 278 °C Druck 300 bar 300 bar 300 bar 300 bar Dauer 30 min 20 min 40 min 30 min 4-

Claims

AT 394 050 B Tabelle 2 Beispiel Nr. 2 3 4 5 Härte (HRM) Oberfläche 72 78 70 74 Kern 119 114 119 117 Dichte (g/cm^) Oberfläche 1,21 1,19 1,20 1,22 Kern 1,28 1,20 131 136 Wärmeleitfähigkeit (bei 20 °C) (W.m* ^K.'1) 0,15 0,12 0,17 0,14 Dicke (mm) 14,8 5 29 835 PATENTANSPRÜCHE 1. Schwer entflammbarer, hochtemperaturbeständiger Formkörper auf Basis von Polyimidfasem der allgemeinen Formel

O 0/\ /c\ A N \ / \ /

.(D C € O 0 worin n eine ganze Zahl größer als 1 bedeutet und A für eine vierbindige aromatische Gruppe ausgewählt aus -5- AT 394 050 B

steht, worin X eine der Gruppen CO, CH2,0, S, CFj bedeutet und R für mindestens eine der folgenden zweibindigen aromatischen Gruppen, ausgewählt aus

worin X wie oben definiert ist, steht, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale, - daß die Härte nach Rockwell an mindestens einer Oberfläche zwischen 70 HRM und 80 HRM, vorzugsweise zwischen 72 HRM und 78 HRM, beträgt, - daß die Härte nach Rockwell in seinem Kern zwischen 110 HRM und 120 HRM, beträgt, - daß die Dichte in seinem Kern zwischen 1,20 g/cm3 und 1,35 g/cm3 beträgt und - daß die Dichte vom Kern bis an die Oberfläche kontinuierlich abnimmt.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er bis zu 49 % Masse andere hochtemperaturbeständige organische und/oder hochtemperaturbeständige anorganische Fasern enthält
3. Formkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er als anorganische Fasern Glasfasern und als andere organische Fasern Polytetrafluoräthylenfasem enthält
4. Verfahren zur Herstellung von schwer entflammbaren hochtemperaturbeständigen Formkörpem auf Basis von Polyimidfasem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Kombination der Maßnahmen, daß stufenweise - ein Faserverbund auf Basis von Polyimidfasem auf eine Temperatur über 200 °C und unter 280 °C erhitzt wird, - der erhitzte Faserverbund bei einem Druck zwischen 150 bar und 250 bar, vorzugsweise zwischen 190 und -6- AT 394 050 B 210 bar, vorverpreßt wird, um einen Vorpreßling herzustellen, - der Vorpreßling auf eine Temperatur zwischen 320 °C und 340 °C erhitzt wird, um ihn zu tempern, - der getemperte Vorpreßling auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 280 °C abgekühlt und anschließend bei einem Druck zwischen 250 bar und 350 bar, vorzugsweise zwischen 290 bar und 310 bar, fertiggepreßt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erhitzte Faserverbund während einer Zeitdauer von 15 min bis 30 min vorgepreßt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßling während einer Zeitdauer von 15 min bis 60 min getempert wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Faserverbund mehrlagige Vliese und/oder mehrlagige Nadelfilze, eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Faserverbund eingesetzt wird, der bis zu 49 % Masse aus anderen hochtemperaturbeständigen organischen und/oder hochtemperaturbeständigen anorganischen Fasern besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganische Fasern Glasfasern und als andere organische Fasern Polytetrafluoräthylenfasem eingesetzt werden. -7-