CH701218A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs. - Google Patents

Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit A. einer mindestens 20 Vol.-% Luftporen enthaltenden Kernschicht (K) aus einem mit Wirrfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff, und B. Verstärkungsstreifen (V) aus kontinuierlichen, parallelen, unidirektionalen Verstärkungsfasern, die ein- oder beidseitig in die Oberfläche der Kernschicht eingeprägt sind, wird die Kernschicht auf Temperaturen oberhalb des Erweichungsbereichs des thermoplastischen Kunststoffs erwärmt. Danach wird eine Vielzahl von individuellen Faserbündeln, die im Abstand voneinander auf die Oberfläche der Kernschicht aufgebracht wurden, in diese eingepresst.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus einer Luftporen enthaltenden Kernschicht aus einem mit Wirrfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff und Verstärkungsstreifen aus kontinuierlichen, unidirektionalen Verstärkungsfasern, die ein- oder beidseitig in die Oberfläche der Kernschicht eingeprägt sind, sowie einen Verbundwerkstoff, der nach diesem Verfahren herstellbar ist, und eine daraus bestehende Akustikplatte.

[0002] Verbundwerkstoffe aus Luftporen enthaltenden thermoplastischen Kunststoffen sind bekannt; sie werden vielfältig für Automobilteile und im Bauwesen eingesetzt. Zur Verbesserung ihrer Festigkeit und der Oberflächenqualität werden sie mit diversen Deckschichten belegt. So ist z.B. in der WO 2005/070 664 ein Schichtstoff beschrieben, bei dem auf eine Substratschicht mit einer Dichte von weniger als 1.2 g/cm3 beidseitig eine oder mehrere Deckschichten in Form von kontinuierliche oder lange, parallele Verstärkungsfasern enthaltenden Thermoplastfilmen oder Prepregs heiss aufgepresst werden. Nachteilig an derartigen Schichtstoffen ist, dass durch die Deckschichten die poröse Oberfläche der Substratschicht vollständig oder zumindest weitgehend abgedeckt ist, so dass die Schallabsorptionsfähigkeit drastisch vermindert wird.

[0003] Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff mit einer Luftporen enthaltenden Kernschicht aus einem mit Wirrfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff bereitzustellen, der nicht nur eine verbesserte Festigkeit und Steifigkeit sondern auch eine gute Schallabsorptionsfähigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemässe Verfahren gelöst.

[0004] Die Kernschicht besteht aus einer mit vorzugsweise 30 bis 80 Gew.-% Wirrfasern verstärkten Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff, der vorzugsweise 20 bis 80, insbesondere 30 bis 70 Vol.-% Luftporen enthält. Bevorzugt ist mit Glasfasern verstärktes Polypropylen. Dieses kann z.B. nach einem in der WO 2006/105 682 beschriebenen Verfahren hergestellt werden durch Vermischen von Glasfasern und Polypropylenfasern, Vemadeln des Mischvlieses, Erwärmen auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Polypropylens und Verpressen, z.B. in einer Doppelbandpresse bei relativ niedrigen Drücken. Bei einem anderen Verfahren werden Polypropylenfasern oder -pulver mit Glasfasern in wässriger Suspension vermischt, das Wasser wird abgepresst und die erhaltene Platte wird getrocknet und heiss verpresst. Diese Kernschicht ist vorzugsweise mehr als 3 mm, insbesondere 5 bis 10 mm dick, und hat eine Dichte von weniger als 1.0 g/cm3, vorzugsweise von 0.3 bis 0.6 g/cm<3>. Luftporen enthaltende Verbundplatten sind bekannt und als Bahnen oder Platten mit einer Breite von bis zu 300 cm im Handel erhältlich, z.B. SymaLite der Quadrant Plastic Composites AG, SEEBERLITE der Röchling Automotive AG, ACOUSTI-MAX der Owens Corning Corp., SUPERLITE von Hanwha und KARAMTEC der Karam Tech Corp.

[0005] In diese Kernschicht werden Verstärkungsstreifen eingeprägt. Dazu wird zunächst die Kemschicht auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs erwärmt und auf die Oberfläche wird ein- oder beidseitig eine Vielzahl von individuellen Verstärkungsfaserbündeln im Abstand voneinander aufgebracht und in die Oberfläche eingepresst. Bei einem bevorzugten kontinuierlichen Verfahren werden bei der Herstellung der Kernschicht durch Heissverpressen eines vernadelten Mischfaservlieses aus Fasern des thermoplastischen Kunststoffs und Verstärkungsfasern auf einer Doppelbandpresse ein- oder beidseitig die Verstärkungsfaserbündel mitverpresst.

[0006] Als Verstärkungsfaserbündel werden bevorzugt Hybrid-Rovings eingesetzt, die aus homogen miteinander vermischten Verstärkungsfaserfilamenten und Thermoplastfaserfilamenten bestehen. Bevorzugte Verstärkungsfasern sind Glasfasern. Der Thermoplast ist vorzugsweise identisch, zumindest aber kompatibel mit dem thermoplastischen Kunststoff der Kernschicht. Bevorzugter Thermoplast ist demnach Polypropylen, wobei das Gewichtsverhältnis Glasfasern zu Polypropylenfasern zwischen 53:47 und 82:18 liegt. Derartige Hybridgarne sind im Handel erhältlich, z.B. TWINTEX der Fa. OCV. Daneben können auch pultrudierte Thermoplastfaser/Glasfaser-Rovings verwendet werden. Ferner können die Verstärkungsfaserbündel auch aus sogenannten Bico-Fasern mit einem Kern aus Verstärkungsfasern und einer Hülle aus einem Thermoplasten bestehen, wobei die Verstärkungsfasern nicht oder erst bei einer um mehr als 40 °C höheren Temperatur als die Thermoplasthülle schmelzen. Der Thermoplast ist vorzugsweise identisch, zumindest aber kompatibel mit dem thermoplastischen Kunststoff der Kernschicht.

[0007] In beiden Fällen schmilzt beim Heissverpressen der Thermoplast-Bestandteil der Fasern auf und verbindet sich mit dem thermoplastischen Kunststoff der Kernschicht. Auf diese Weise wird das Eindringen der Verstärkungsfasem in die Kernschicht erleichtert. Grundsätzlich können auch Verstärkungsfaser-Rovings oder -Garne (welche bevorzugt keine Drehung aufweisen) ohne Thermoplast-Bestandteil eingesetzt werden, wobei zum Eindringen ein etwas höherer Druck angewandt werden muss.

[0008] Die Faserbündel haben einen Titer von 50 bis 3000 tex und einen praktisch runden Querschnitt, wobei der Durchmesser vorzugsweise zwischen 0.25 und 5 mm, insbesondere zwischen 1 und 4 mm liegt. Beim Einpressen in die Oberfläche der Kernschicht werden die Bündel zu Streifen einer Breite von vorzugsweise 0.5 bis 25 mm aufgeweitet. Vorzugsweise werden die Faserbündel bei einem Druck von 0.5 bis 5 bar und einer Temperatur, die mindestens 20 °C über der Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs liegt, in die Oberfläche der Kernschicht eingepresst, wobei so stark gepresst wird, dass die Verstärkungsfasern vollständig in die Kernschicht eindringen, so dass diese dann eine ebene Oberfläche aufweist.

[0009] Bevorzugt wird beim Aufbringen der Faserbündel auf die Kernschicht eine Spannung auf die Faserbündel ausgeübt. Bei dem bevorzugten kontinuierlichen Verfahren geschieht dies zum Teil automatisch beim Einzug der Faserbündel in die Doppelbandpresse. Zusätzlich kann die Spannung jedes Faserbündels individuell kontrolliert werden, um eine stärkere Spreizung zu erreichen. Durch die Spannung werden die Verstärkungsfasern streng linear ausgerichtet, was im Vergleich zu dem Verfahren nach WO 2005/070 664 zu einer noch besseren Festigkeit und Steifigkeit der Verbundwerkstoffe in Faserrichtung führt.

[0010] Die Anzahl der auf die Kernschicht aufgebrachten Faserbündel hängt von der Breite der Kernschicht ab. Bei schmalen, ab 30 cm breiten Kernschichten genügen z.B. 4 bis 10 Faserbündel, bei bis zu 300 cm breiten Kernschichten können bis zu 100, vorzugsweise 10 bis 50 Faserbündel aufgebracht werden. Pro cm werden vorzugsweise 0.4 bis 4, insbesondere 0.5 bis 2 Faserbündel aufgepresst. Es besteht auch die Möglichkeit, nur in gewissen Bereichen Verstärkungsstreifen aufzubringen, um ein Bauteil lokal zu verstärken. In solchen Fällen genügen schon 4 Faserbündel pro Kernschicht.

[0011] Bei der bevorzugten kontinuierlichen Ausführungsform der Erfindung können die Faserbündel über die Vertiefungen zwischen den Zähnen eines Kamms geführt und dann auf die Oberfläche der Kernschicht aufgebracht werden. Die Abstände der Zähne sind verschiebbar, so dass je nach Breite der Kernschicht auch die Abstände der Faserbündel und damit auch die Abstände der Verstärkungsstreifen voneinander im Bereich von 3 mm bis 5 mm verschiebbar sind. Grössere Abstände können durch Auslassen von Positionen erzielt werden.

[0012] Als Verstärkungsfasern sind Glasfasern bevorzugt, daneben können auch Kohlefasern, Naturfasern, Mineralfasern, wie z.B. Basaltfasern, flüssigkristalline Kunststofffasern, thermoplastische Verstärkungsfasern mit einem um vorzugsweise 40 °C höheren Schmelzpunkt als der für die Kernschicht verwendete Basisthermoplast, beispielsweise hochverstreckte Fasern aus Polyethylente-rephthalat, eingesetzt werden.

[0013] Bevorzugter Thermoplast ist Polypropylen, daneben sind auch Polyethylen, Polyamide sowie thermoplastische Polyester geeignet.

[0014] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff, umfassend A. eine mindestens 20 Vol.-% Luftporen enthaltende Kernschicht aus einem mit Wirrfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff, und B. in die Oberfläche der Kernschicht ein- oder beidseitig eingeprägte Verstärkungsstreifen einer Breite von 0.5 bis 25 mm aus kontinuierlichen, parallelen, unidirektionalen Verstärkungsfasern, wobei die Streifen in die Kernschicht vollständig eingepresst sind, und wobei die Oberfläche der Kernschicht eben ist.

[0015] Dieser Verbundwerkstoff wird vorzugsweise nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt.

[0016] Der Verbundwerkstoff weist an seiner Oberfläche eine ausreichende Zahl von offenen Luftporen auf, so dass eine gute Schallabsorption gewährleistet ist. Dabei werden maximal 50%, vorzugsweise maximal 30% und insbesondere weniger als 15% der Oberfläche von den eingepressten Verstärkungsstreifen gebildet.

[0017] Ferner hat sich gezeigt, dass eine Verbundplatte mit vielen schmalen Streifen, vorzugsweise mehr als 10 Streifen mit einem Abstand von mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm, voneinander, eine bessere Schallabsorption aufweist als eine Platte mit nur einem breiten, geschlossenen Streifen, bzw. einer Platte, die – wie in WO 2005/070 664 angedeutet – nur teilweise mit einer Deckschicht belegt ist, wobei die vielen schmalen Streifen einerseits und der eine Streifen bzw. die Deckschicht andererseits, jeweils die gleiche Fläche einnehmen. Von Vorteil ist auch, dass die Verstärkungsstreifen an der Kernschicht gezielt dort angebracht werden können, wo im Bauteil später eine Verstärkung gebraucht wird, bzw. wo sie bei der späteren Verformung nicht stören.

[0018] Schliesslich ist es bei Akustikplatten - im Gegensatz zu den Schichtstoffen nach WO 2005/070 664 – nicht notwendig, beide Seiten der Kernschicht zu belegen, so dass nur in eine Seite der Kernschicht Verstärkungsstreifen eingeprägt sind.

[0019] Die Fig. 1 zeigt in Draufsicht einen Abschnitt einer Kernschichtlage K mit zwei darauf liegenden Hybrid-Rovings R aus Verstärkungsfasern VF und Thermoplastfasern TF. Die Fig. 2zeigt die Anordnung der Fig. 1entsprechend dem Schnitt A-A.

[0020] Die Fig. 3 zeigt in Draufsicht die obige Anordnung nach dem Einpressen der beiden Rovings, wobei deren Verstärkungsfasern mit dem thermoplastischen Kunststoff der Kernschichtlage verschmolzen sind und somit nur noch die Verstärkungsfasern VF sichtbar sind. Letztere bilden je einen Verstärkungsstreifen V. Die Fig. 4 zeigt die Anordnung der Fig. 3 entsprechend dem Schnitt B-B. Aus den Fig. 3und 4 ist ersichtlich, dass die Verstärkungsstreifen V in die Kernschicht K vollständig eingepresst sind und die Oberfläche der Kernschicht eben ist.

[0021] Die erfindungsgemässen Verbundwerkstoffe können zur Herstellung von Bauteilen im Automobilbau verwendet werden, beispielsweise für Dachhimmel, als Unterböden und als PKW-Ladeböden, ferner im Möbelbau und im Bauwesen, z.B. für schallabsorbierende Deckenverkleidungen. Insbesondere bei Automobildachhimmeln und im Möbelbau ist die gute Schallabsorptionsfähigkeit wichtig.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, umfassend A. eine mindestens 20 Vol.-% Luftporen enthaltende Kernschicht aus einem mit Wirrfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff, und B. Verstärkungsstreifen aus kontinuierlichen, parallelen, unidirektionalen Verstärkungsfasern, die ein- oder beidseitig in die Oberfläche der Kernschicht eingeprägt sind, dadurch gekennzeichnet, dass man auf die Oberfläche der Kernschicht, die auf Temperaturen oberhalb des Erweichungsbereichs des thermoplastischen Kunststoffs erwärmt wurde, eine Vielzahl von individuellen Faserbündeln im Abstand voneinander aufbringt und in die Oberfläche der Kernschicht einpresst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel Hybrid-Rovings (R) sind, in denen Verstärkungsfaserfilamente (VF) und Thermoplastfaserfilamente (TF) homogen miteinander vermischt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel aus Bico-Fasern bestehen, bei denen ein Verstärkungsfaser-Kern mit einer Hülle aus einem Thermoplasten ummantelt ist, wobei die Verstärkungsfasern nicht oder erst bei einer um mehr als 40 °C höheren Temperatur als die Thermoplasthülle schmelzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel Verstärkungsfaser-Rovings sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Faserbündel beim Aufbringen auf die Kernschicht eine Spannung ausgeübt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel kontinuierlich über die Vertiefungen zwischen den Zähnen eines Kamms geführt werden und dann auf die Oberfläche der Kernschicht aufgebracht werden.

7. Verbundwerkstoff, umfassend A. eine mindestens 20 Vol.-% Luftporen enthaltende Kernschicht (K) aus einem mit Wirrfasern verstärktem thermoplastischen Kunststoff, und B. in die Oberfläche der Kernschicht ein- oder beidseitig eingeprägte Verstärkungsstreifen (V) einer Breite von 0.5 bis 25 mm aus kontinuierlichen, parallelen, unidirektionalen Verstärkungsfasern, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen in die Kernschicht vollständig eingepresst sind und die Oberfläche der Kernschicht eben ist.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kernschicht zu maximal 50 % von den Verstärkungsstreifen gebildet wird.

9. Akustikplatte aus dem Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht mit mehr als 3 Streifen versehen ist, die einen Abstand von mindestens 1 mm voneinander aufweisen.

10. Akustikplatte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur in eine Seite der Kernschicht Verstärkungsstreifen eingeprägt sind.