DE102007022368B4 - Mehrlagiges Faserverbundhalbzeug aus kurzen Verstärkungsfasern mit optimierter Drapierbarkeit - Google Patents

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Abstract

Halbzeug, enthaltend aufgeschlossene zellulosische Verstärkungsfasern mit mittleren Faserlängen von 0,5 mm bis 10 mm und einen thermoplastischen Binder, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug mehrere Lagen untereinander nicht mechanisch verfestigter Vliese mit den zellulosischen Verstärkungsfasern enthält, wobei die Vliese punktuell miteinander verschweißt sind und auf diese Weise zusammenhalten und das Halbzeug ein gutes Umformverhalten besitzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mehrlagiges Halbzeug, aus Mischvliesen mit kurzen zellulosischen Verstärkungsfasern und thermoplastischem Binder für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen im Formpressverfahren.
  • Kurze Verstärkungsfasern oder Kurzfasern sind im Sinne dieser Beschreibung Fasern mit einer Faserlänge zwischen 0,5 mm und 10 mm.
  • Mischvliese aus Naturfasern und thermoplastischen Bindefasern für die Herstellung von Kraftfahrzeugverkleidungsteilen sind bekannt und entsprechen dem Stand der Technik, siehe DE69902061T2 . Hierbei werden hauptsächlich Langfasern aus Flachs, Hanf, Jute, Sisal, Kenaf oder Abaca eingesetzt. Durch die Verwendung von Hybridvliesen oder Mischvliesen aus Naturfasern als Verstärkungskomponente und thermoplastischen Bindefasern als spätere Matrixkomponente erspart man sich ein nachträgliches Aufbringen des Matrixmaterials. Ein weiterer Vorteil solcher Hybridvliese ist die gleichmäßige Verteilung von Matrix und Verstärkungsfaser. Durch die eingebrachte Wärme bei der Verarbeitung schmilzt die Matrixfaser auf, durchdringt das Vlies und umhüllt die Fasern durch den Pressendruck beim Umformen gleichmäßig. In der Regel wird ein Vlieszuschnitt mit entsprechender Flächenmasse in das Presswerkzeug eingelegt und verpresst. Die langen Verstärkungsfasern von Naturfaser-Kunststoff-Mischvliesen gewährleisten, dass das Vlies bei hohen Umformgraden nicht einreißt.
  • Als nachteilig beim Einsatz von Naturfasern erwiesen sich die wachstums- und aufschlussbedingten Eigenschaftsschwankungen der Fasern, die Faserverunreinigungen, die begrenzte Verfügbarkeit, die optischen Eigenschaften und das ungünstige Geruchs-, Emissions- und Foggingverhalten wie es beispielsweise in DIN 75201-B definiert ist.
  • Diese Nachteile können durch den Einsatz von zellulosischen Kurzfasern (Faserzellstoff) vermieden werden. Dieser Rohstoff weist gegenüber konventionellen Naturfasern gleich bleibende Faserqualitäten bei nahezu unbegrenzter Verfügbarkeit auf. Durch den chemischen Aufschluss (z. B. mittels eines Sulfit- oder Sulfat-Verfahrens und Bleichen) erhält man saubere Fasern, die das Emissionsverhalten der Verbunde nicht negativ beeinflussen. Ein Nachteil von Kurzfaservliesen ist das im Vergleich zu Langfaservliesen schlechtere Umform- oder Drapierverhalten, besonders wenn wie üblich nur ein Vlieszuschnitt verwendet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Halbzeug aus kurzen Verstärkungsfasern mit thermoplastischem Binder zu entwickeln, dass sich im gleichen Maße umformen lässt wie etablierte Naturlangfasermischvliese.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mehrschichtiges Halbzeug dadurch gelöst, dass das Halbzeug mehrere Lagen untereinander nicht mechanisch verfestigter Vliese mit den zellulosischen Verstärkungsfasern und dem Matrixmaterial enthält, wobei die Vliese punktuell miteinander verschweißt sind und auf diese Weise zusammenhalten und das Halbzeug ein gutes Umformverhalten besitzt.
  • Erfindungsgemäß besteht das Halbzeug je nach Flächenmasse der Einzellagen sowie Enddicke und -dichte des Bauteils aus einer Vielzahl von Einzelschichten, das heißt aus mehreren Lagen, die von mechanisch nicht verfestigten Vliesen mit zellulosischen Verstärkungsfasern gebildet sind.
  • Die einzelnen Lagen des Halbzeugs werden nach bekannten Verfahren zur Herstellung von Kurzfaservliesen wie dem Nassvlies- oder Luftlege-Verfahren erzeugt. Hierbei können Fasern mit mittleren Faserlängen von 0,5 mm bis 10 mm und bevorzugt einer Faserfeinheit von 1 dtex bis 16,7 dtex verwendet werden. Faserfeinheiten < 1 dtex und > 16,7 dtex sind vorstellbar. Die Flächenmasse der einzelnen Lagen liegt zwischen 50 g/m2 und 1000 g/m2, vorzugsweise zwischen 200 g/m2 und 800 g/m2.
  • Als Verstärkungskomponente werden erfindungsgemäß chemisch, z. B. mittels eines Sulfit- oder Sulfat-Prozesses behandelte Zellstofffasern verwendet. Die so behandelten zellulosischen Fasern werden im folgenden auch als „aufgeschlossen” bezeichnet. Es ist aber ebenso denkbar, Kurzfasern aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Mineralkurzfasern aus Basalt oder auch Naturfaserkurzschnitt zuzumischen. In einer Ausführung der Erfindung können zur Verbesserung der Schlagzähigkeit auch Polyacrylnitril(PAN)-Kurzfasern als Modifikatorfasern im Bereich von 5 bis 30 Gew.-% zugegeben sein.
  • Um eine ausreichende Festigkeit und Handhabbarkeit der Vlies-Lagen zu gewährleisten, können thermoplastische Mehrkomponenten-Schmelzklebe-Fasern mit mindestens einer niedrigschmelzenden (100–150°C) Komponente, bevorzugt Bikomponenten-Fasern bspw. mit (konzentrischer/leicht exzentrischer/exzentrischer) Kern-Mantel-Struktur im Anteil von 2 bis 20 Gew.-% zugegeben sein. Der Mantel der Faser schmilzt bei niedrigen Temperaturen auf und sorgt durch das Verkleben einzelner Faserkreuzungspunkte für eine ausreichende Verfestigung der Vliese ohne dabei das Vlies zu versteifen. Die Kernkomponente, z. B. PP (Polypropylen) oder PET (Polyethylenterephthalat) bleibt intakt. Weitere Anordnungen der Faserkomponenten wie Seite an Seite (side by side), Splitfasern (segmented pie/islands in the sea), tri- oder multilobal mit niedrigschmelzenden Komponenten im Außenbereich sind denkbar und dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
  • Der Fasergehalt der Verstärkungskomponente beträgt zwischen 20 und 80 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 30 und 60 Gew.-%.
  • Als Matrixmaterial können handelsübliche Massenkunststoffe oder auch technische Kunststoffe in Faser-, Pulver- oder Granulatform in dem Halbzeug enthalten sein. Besonders geeignet sind Polyolefine, insbesondere Polypropylen (PP). Vorteilhaft im Hinblick auf eine verbesserte Faser-Matrix-Haftung ist auch der Einsatz von Maleinsäureanhydrid modifiziertem PP. Weiterhin vorstellbar/einsetzbar sind als Matrixmaterial unterhalb der Aufheiztemperatur schmelzende oder erweichende thermoplastische Polymere wie Polyester (PES), Copolyester (CoPES), Polycarbonat (PC), oder Polylactid (PLA).
  • Der thermoplastische Binder als Matrixmaterial liegt vorzugsweise in Pulver- oder Granulatform mit einer Partikelgröße von 5 μm bis 1000 μm (Pulver 5 μm–50 μm und Granulat 50 μm–1000 μm) oder in Faserform mit einer mittleren Faserlänge von 0,5 mm bis 10 mm und einer Feinheit von 1 dtex bis 16,7 dtex vor.
  • Es wird bei der Erfindung davon ausgegangen, dass in dem Verbundhalbzeug die einzelnen Lagen gegeneinander verschiebbar sind.
  • Die die Verstärkungsfasern enthaltenden Lagen sind vorzugsweise mit dem Luftlege-Verfahren hergestellte, so genannte Airlaid-Hybridvlies-Produkte.
  • Um die Handhabbarkeit der Halbzeuge zu verbessern, sind die Lagen punktuell miteinander verschweißt. Diese punktuelle Verbindung behindert nicht die besondere Eigenschaft des erfindungsgemäßen Halbzeugs, nämlich dass sich dessen Lagen beim Umformen gegeneinander verschieben können. Punktuell ist hierbei so zu verstehen, dass die Verschweißungen in Bezug auf die Gesamtfläche nur verschwindend kleine Flächen betreffen, die auch die Form kurzer, nicht zusammenhängender Linien haben können.
  • Zur Weiterverarbeitung werden die Zuschnitte auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Matrixmaterials aufgeheizt, in ein Formwerkzeug überführt und verpresst. Die einzelnen Lagen verschieben sich beim Schließen des Werkzeug gegeneinander, so dass ein Einreißen verhindert wird.
  • Um eventuelle Ungleichmäßigkeiten des Dehnverhaltens der einzelnen Lagen in Längs- und Querrichtung auszugleichen, können die jeweils aufeinander folgenden Lagen um 90° zueinander versetzt ausgerichtet sein.
  • Ein aus dem zuvor beschriebenen, Airlaid-Hybridvlies enthaltendem Halbzeug erstelltes Bauteil weist vorzugsweise einen Fogging-Wert gemäß DIN75201 Verfahren B von weniger als 0,5 mg auf.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figur näher erläutert.
  • 1: ein mehrlagiges Halbzeug mit punktförmigen Verschweißungen;
  • Beispiel 1:
  • Zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeuges werden Hybridvliese aus Zellstofffasern (40 Gew.-%), PAN-Fasern (10 Gew.-%) und Maleinsäureanhydrid modifizierten PP-Fasern (47 Gew.-%) mit einer Flächenmasse von 500 g/m2 im Luftlege-Vliesbildungsverfahren gefertigt.
  • Zur besseren Handhabbarkeit der Vliese wurden 3 Gew.-% Bikomponenten-Fasern zugemischt, welche bei der anschließenden Thermobondierung für die notwendige Festigkeit der Vliese sorgen. 3 Lagen des so gebildeten Vlieses wurden übereinander gelegt und punktuell miteinander verschweißt (siehe 1). Dieses Halbzeug wurde in eine Aufheizstation überführt, auf eine Temperatur von 190 ± 5°C aufgeheizt und anschließend bei einem Druck von 2,8 kN/cm2 zu einem Bauteil verpresst. Die punktuelle Verschweißung der Vliese behindert die Verschiebbarkeit der einzelnen Lagen nicht, so dass mit dieser Variante hohe Umformgrade erreicht werden.

Claims (16)

  1. Halbzeug, enthaltend aufgeschlossene zellulosische Verstärkungsfasern mit mittleren Faserlängen von 0,5 mm bis 10 mm und einen thermoplastischen Binder, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug mehrere Lagen untereinander nicht mechanisch verfestigter Vliese mit den zellulosischen Verstärkungsfasern enthält, wobei die Vliese punktuell miteinander verschweißt sind und auf diese Weise zusammenhalten und das Halbzeug ein gutes Umformverhalten besitzt.
  2. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug aus mindestens 2 und maximal 20 Lagen besteht.
  3. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen eine Flächenmasse zwischen 50 g/m2 und 1000 g/m2 aufweisen.
  4. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug zur Erhöhung mechanischer Werte wie z. B. Biegesteifigkeit als weitere Verstärkungsfasern Glasfaser-, Kohlefaser-, Basaltfaser-, Aramidfaserkurzschnitt mit einer mittleren Faserlänge zwischen 0,5 mm und 10 mm enthält.
  5. Halbzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Verstärkungsfasern zwischen 20 und 80 Gew.-% liegt.
  6. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einzelne Vliese thermoplastische Mehrkomponenten-Schmelzklebe-Fasern enthalten.
  7. Halbzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an thermoplastischen Mehrkomponenten-Schmelzklebe-Fasern zwischen 2 und 20 Gew.-% liegt.
  8. Halbzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastischen Mehrkomponenten-Schmelzklebe-Fasern Bikomponententenfasern sind.
  9. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug thermoplastischen Binder als thermoplastische Polymere in Pulver- oder Granulatform mit einer Partikelgröße von 5 μm bis 1000 μm oder in Faserform mit einer mittleren Faserlänge von 0,5 mm bis 10 mm und einer Feinheit von 1 dtex bis 16,7 dtex enthält.
  10. Halbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymer ein Polyolefin ist.
  11. Halbzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Polyolefin um Polypropylen handelt.
  12. Halbzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Polyolefin ein Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polypropylen ist.
  13. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug zur Erhöhung der Schlagzähigkeit Modifikatorfasern enthält.
  14. Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikatorfasern Polyacrylnitril-Fasern sind.
  15. Halbzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Modifikatorfasern zwischen 5 und 30 Gew.-% liegt.
  16. Bauteil aus einem Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Fogging-Wert, gemessen nach DIN75201 Verfahren B, von weniger als 0,5 mg besitzt.
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