DE102004026493A1

DE102004026493A1 - Verfahren zur Herstellung von faserhaltigen Kunststoffgranulaten

Info

Publication number: DE102004026493A1
Application number: DE102004026493A
Authority: DE
Inventors: Jan O P Pavlinec
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2006-04-13
Also published as: WO2005118243A1; EP1748874A1; US20070292689A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von faserhaltigem Kunststoffgranulat, bei dem ein Faserstrang mit einer zumindest teilweise wärmeschrumpffähigen Kunststofffolie unter Ausbildung eines Überlappungsbereichs der Folienenden vollständig umschlossen und der Überlappungsbereich verschweißt wird, bevor der so umschlossene Faserstrang wärmebehandelt, abgekühlt und granuliert wird. Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf mit diesem Verfahren erhältliche faserhaltige Kunststoffgranulate sowie deren Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserhaltigem Kunststoffgranulat, mit diesem Verfahren erhältliche faserhaltige Kunststoffgranulate sowie deren Verwendung.

Faserhaltige Kunststoffgranulate werden als Ausgangsstoff u.a. bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen eingesetzt, um durch den Faseranteil, in Abhängigkeit von der Natur der Fasern, z. B. die mechanische Festigkeit oder die elektrische Leitfähigkeit der Formteile zu erhöhen. Derartige faserhaltige Kunststoffgranulate bestehen üblicherweise aus Faserbündeln mit einer Länge von 1 bis 20 mm sowie einem Durchmesser von 1 bis 5 mm und sind von einer Kunststoffschicht umhüllt oder in diese eingelagert.

Die Herstellung dieser Granulate erfolgt üblicherweise mittels Schmelze-Pultrusions- oder Extrusionsverfahren, bei denen die zu umhüllenden Faserstränge durch eine thermoplastische Kunststoffe enthaltende Schmelze und anschließend durch eine beheizte Düse an einem Extruder geführt werden, bevor die umhüllten Stränge abgekühlt und in einer Granuliereinrichtung abgelängt werden. Nachteilig an diesen Verfahren sind die hohen, durch die Aufrechterhaltung einer Kunststoffschmelze bedingten Verfahrens- sowie Vorrichtungskosten. Zudem sind diese Verfahren unflexibel, da bei Änderung des Ausgangsmaterials für jeden neuen Faserstrangdurchmesser jeweils eine neue beheizte Düse benötigt wird.

Zur Herstellung von Kunststoffgranulaten ist auch schon vorgeschlagen worden, die zu beschichtenden Faserstränge durch eine ein entsprechendes Kunststoffgranulat enthaltende Wirbelschicht zu führen, bevor die so imprägnierten Faser stränge zwecks Schmelzen der auf der Faser befindlichen Kunststoffgranulate erwärmt, anschließend durch eine beheizte Düse, ein temperiertes Walzwerk oder dergl. geführt werden, um eine einheitliche Beschichtung der Faserstränge zu erreichen, bevor diese abgekühlt und abschließend granuliert werden. Allerdings zeichnen sich auch diese Verfahren durch hohe Betriebskosten aus und setzen aufwendige Vorrichtungen voraus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein alternatives, kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von faserhaltigem Kunststoffgranulat bereitzustellen, welches insbesondere auch variabel hinsichtlich der Durchmesser der eingesetzten Faserstränge ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Überraschenderweise konnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden werden, dass Faserstränge auch ohne Extruder oder extruderähnliche Einrichtungen, wie beheizte Düsen oder dergl., fest und vollständig mit einer Kunststofffolie umschlossen bzw. umhüllt werden können. Daher können in dem erfindungsgemäßen Verfahren Faserstränge mit unterschiedlichem Durchmesser eingesetzt werden, ohne dass es einer Umrüstung der zur Verfahrensdurchführung notwendigen Vorrichtung bedarf. Da die Faserstränge nicht durch eine Schmelze geführt oder in einer Wirbelschicht mit Kunststoff imprägniert werden müssen, sondern mit einer bereits fertigen Kunststofffolie umhüllt werden, lassen mit dem erfindungsgemäßen im Vergleich zu dem nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren Granulate mit höheren Faseranteilen, nämlich solche mit mehr als 99 Gew.-%, erzeugen. Aufgrund des geringen Kunststoffgehalts sind die Granulate mit jedem in den herkömmlichen Spritzgussverfahren eingesetzten Thermoplastmaterialien kompatibel. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig durchzuführen.

Prinzipiell können in dem erfindungsgemäße Verfahren zur Umhüllung des Faserstrangs alle dem Fachmann bekannten Kunststofffolien eingesetzt werden, sofern diese zumindest teilweise wärmeschrumpffähig sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere mit Kunststofffolien, welche einen Wärmeschrumpf von 20 bis 70%, besonders bevorzugt von 40 bis 70% und ganz besonders bevorzugt von 50 bis 70% aufweisen, besonders gute Ergebnisse erzielt werden. Geeignete Folienmaterialien sind bspw. Polyethylen, Polyvinylchrorid, Polyethylen-Terephtalat, Polypropylen und Copolymere.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, den Faserstrang mit der Kunststofffolie unter Ausbildung eines, bezogen auf die Längsachse des Faserstrangs, sprialförmigen oder axialen Überlappungsbereichs zu umschließen, da sich solche Überlappungsbereiche leicht verschweißen lassen. Die Überlappungen können dabei auch vorteilhaft als Lippen ausgebildet sein.

Die Verschweißung der Überlappungsbereiche kann auf alle dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Weise, insbesondere durch kontinuierlich arbeitende Folienschweißgeräte, erfolgen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können als Fasermaterial alle Stapelfaserstränge und endlose Faserstränge eingesetzt werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diese vor der Umhüllung mit der Kunststofffolie mit Avivage vorzubehandeln.

Die Dauer der Wärmebehandlung und die Höhe der bei diesem Verfahrensschritt eingestellten Temperatur hängt in erster Linie von dem Wärmeschrumpf, dem Material und der Dicke der eingesetzten Kunststofffolie ab und liegt vorzugsweise zwischen 50 und 180°C, besonders bevorzugt zwischen 50 und 150°C und ganz besonders bevorzugt zwischen 50 und 100°C. Durch die Wärmebehandlung zieht sich die Kunststoffumhüllung zusammen, bis diese fest auf dem Faserstrang aufliegt.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren kontinuierlich durchgeführt, bspw. indem der ggf. mit Avivage vorbehandelte Faserstrang vorzugsweise von einer Trommel, Spule oder Ablagekanne zunächst durch eine Verpackungsvorrichtung geführt, in der dieser mit der Kunststofffolie unter Verschweißung der Überlappungsbereiche vollständig umschlossen wird, der umhüllte Strang anschließend durch eine Heizzone prozessiert und abschließend einem Schneidgranulator zugeführt wird. Alternativ dazu, kann die Heizzone auch in die Verpackungsvorrichtung integriert sein. Nach der Heizzone und vor der Prozessierung durch einen, bspw. handelsüblichen, Schneidgranulator wird der umhüllte Faserstrang noch so lange geführt, dass er sich vorzugsweise auf Raumtemperatur abkühlt. Alternativ dazu kann zu diesem Zweck auch eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein.

Ein weiterer Gegenstand des vorliegenden Verfahrens ist ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliches faserhaltiges Kunststoffgranulat.

Vorzugsweise beträgt der Faseranteil der erfindungsgemäßen Granulate 60 bis 99,5 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 99,5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 95 bis 99,5 Gew.-%.

Der Durchmesser und die Länge des Granulats ist auf den nachfolgenden Anwendungszweck abzustellen, wobei der Durchmesser des Granulats bevorzugt zwischen 1 und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 5 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 2,5 und 5 mm und die Länge des Granulats vorzugsweise zwischen 2 und 15 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 und 10 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 4 und 6 mm beträgt.

Die erfindungsgemäßen Kunststoffgranulate eignen sich u.a. für die Herstellung von allen Arten an faserverstärkten Kunststoffformteilen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 ein Prozessdiagramm eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von faserhaltigem Kunststoffgranulat gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
2 den schematischen Querschnitt eines faserhaltigen Kunststoffgranulats gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
3 den schematischen Querschnitt eines faserhaltigen Kunststoffgranulats gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und
4 den schematischen Querschnitt eines faserhaltigen Kunststoffgranulats gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei dem in der 1 dargestellten Verfahren wird ein Faserstrang 1 durch einen entsprechenden Antrieb (nicht dargestellt) nacheinander kontinuierlich durch eine Verpackungsvorrichtung 2, eine Heizzone 3 und einen Schneidgranulator 4 geführt.
In der Verpackungsvorrichtung 2 wird der Faserstrang 1 mit einer wärmeschrumpffähigen Kunststofffolie 6, welche dem Faserstrang 1 über eine Folienbandspule 5, die vorzugsweise Teil der Verpackungsvorrichtung 2 ist und in der 1 nur zwecks Verdeutlichung hiervon getrennt dargestellt ist, zugeführt wird, unter Ausbildung eines Überlappungsbereichs 7, 8, 9 der Folienenden vollständig umschlossen und anschließend werden die Folienenden in dem Überlappungsbereich 7, 8, 9, bspw. durch Anwenden von Wärme und Druck, verschweißt. Wie in den 2 bis 4 gezeigt, kann die Umhüllung des Faserstrangs 1 mit der Folie 6 derart erfolgen, dass sich die Folienenden, bezogen auf die Längsachse des Faserstrangs 1, axial 7, axial unter Ausbildung einer Lippe 8 oder sprialförmig 9 überlappen. Während der anschließenden Prozessierung des so umschlossenen Faserstrangs 1 durch die Heizzone 3 zieht sich die Folie 6 zusammen, bis diese eng auf dem Faserstrang 1 aufliegt, wobei die Länge der Heizzone 3 und die darin eingestellte Temperatur an die Schrumpfungseigenschaften der eingesetzten Folie 6 angepasst ist. Nach der Heizzone 3 wird der umhüllte Faserstrang 1 noch so lange geführt, bis er sich vorzugsweise auf Raumtemperatur abgekühlt hat, bevor dieser durch Prozessierung durch einen Schneidgranulator 4 abgelängt wird.

1: Faserstrang
2: Verpackungsvorrichtung
3: Heizzone
4: Schneidgranulator
5: Folienbandspule
6: Kunststofffolie
7: Überlappungsbereich der Folienenden bei axialer Umhüllung
8: Überlappungslippe der Folienenden bei axialer Umhüllung
9: Überlappungsbereich der Folienenden bei radialer (spiralförmiger)
: Umhüllung

Claims

Verfahren zur Herstellung von faserhaltigem Kunststoffgranulat, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faserstrang (1) mit einer zumindest teilweise wärmeschrumpffähigen Kunststofffolie (6) unter Ausbildung eines Überlappungsbereichs (7, 8, 9) der Folienenden vollständig umschlossen und der Überlappungsbereich (7, 8, 9) verschweißt wird, bevor der so umschlossene Faserstrang (1) wärmebehandelt, abgekühlt und granuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kunststofffolie (6) mit einem Wärmeschrumpf von 20 bis 70%, besonders bevorzugt von 40 bis 70% und ganz besonders bevorzugt von 50 bis 70% eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kunststofffolie (6) aus Polyethylen, Polyvinylchrorid, Polyethylen-Terephtalat, Polypropylen und/oder Copolymer eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang (1) mit der Kunststofffolie (6) unter Ausbildung eines, bezogen auf die Längsachse des Faserstrangs, sprialförmigen (9) oder axialen Überlappungsbereichs (7, 8) umschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlappungsbereich in Form einer Lippe (8) ausgestaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserstrang (1) ein Stapelfaserstrang oder ein endloser Faserstrang eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wämebehandlung bei einer Temperatur zwischen 50 und 180°C, besonders bevorzugt zwischen 50 und 150°C und ganz besonders bevorzugt zwischen 50 und 100°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses kontinuierlich durchgeführt wird.
Faserhaltiges Kunststoffgranulat erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kunststoffgranulat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Faseranteil bis 60 bis 99,5 Gew.-%, besonders bevorzugt 90 bis 99,5 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 95 bis 99,5 Gew.-% beträgt.
Kunststoffgranulat nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Granulats zwischen 1 und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 1,5 und 5 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 2,5 und 5 mm und die Länge des Granulats zwischen 2 und 15 mm, besonders bevorzugt zwischen 3 und 10 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 4 und 6 mm beträgt.
Verwendung eines faserhaltigen Kunststoffgranulats nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen.