DE102008008471B4

DE102008008471B4 - Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs, Halbzeug zur Heißpressverarbeitung, Verfahren zur Herstellung eines Formteils und Formteil

Info

Publication number: DE102008008471B4
Application number: DE200810008471
Authority: DE
Inventors: Dr. Günther Peter; Jochen Reichhold
Original assignee: Faurecia Innenraum Systeme GmbH
Current assignee: Faurecia Innenraum Systeme GmbH
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2011-12-22
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: DE102008008471A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs (1), wobei das Halbzeug (1) Holzfasern (2), Langnaturfasern (3) und ein duroplastisches Harz (4) aufweist und die Langnaturfasern (3) zwischen 10 bis 50 Gew.-% des Halbzeugs (1) und das duroplastische Harz (4) zwischen 10 bis 25 Gew.-% des Halbzeugs (1) bilden. Dabei weist das Verfahren folgende Schritte auf: a) Vermischung (10) der Holzfasern und der Langnaturfasern zu einem Mischvlies oder einem Sandwich unter Beigabe des duroplastischen Harzes; b) Verfestigung des Mischvlieses oder Sandwichs zu einem Halbzeug durch Vernadeln (11). Das Halbzeug kann weiterhin zu einem Formteil verpresst werden unter Hinzunahme folgender Schritte: a) Erwärmung des Mischvlieses auf eine Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur des duroplastischen Harzes; b) Verpressung des erwärmten Mischvlieses zu einem Halbzeug. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Material zur Pressverarbeitung, insbesondere ein Halbzeug, sowie ein Formteil, welches Holzfasern, eine Langnaturfaser und ein duroplastisches Harz aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs als auch ein Halbzeug zur Heißpressverarbeitung sowie ein Formteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils.
Materialien zur Pressverarbeitung und insbesondere Halbzeuge sind in der Automobilindustrie von großer Wichtigkeit. Die Materialien zur Pressverarbeitung wenden dabei häufig zu einem dreidimensional geformten Formteil verpresst, welches anschließend weiterbearbeitet wird. Derartige Pressteile sind beispielsweise Innenraumverkleidungen oder Ablagen.
Besonders bevorzugt werden dabei so genannte Trockenverfahren eingesetzt. Im Bereich der Holz- und Naturfasertechnologie sind verschiedene Halbzeugvarianten oder so genannte Matten zur Pressverarbeitung bekannt. Diese können im Wesentlichen in vier verschiedene Kategorien eingeteilt werden:

a) Halbzeug aus Holzfasern mit ca. 10 Gew.-% duro plastische Harzen gebunden;
b) Halbzeug aus Holzfasern mit ca. 20 Gew.-% Kunstfaseranteil mit ca. 10 bis 15 Gew.-% duroplastischen Harzen gebunden;
c) Halbzeug, enthaltend Langnaturfasern (z. B. Flachs, Hanf) mit ca. 25 bis 35 Gew.-% PUR- oder EP-Harzen gebunden;
d) Halbzeug, enthaltend Mischungen von Langnaturfasern mit PP-Fasern.

Die verschiedenen Varianten weisen unterschiedliche Nachteile auf. So sind beispielsweise die Halbzeuge der Kategorie a) nicht dafür geeignet, in einer Direktverpressung zu stark konturierten Formteilen verformt zu werden. Des Weiteren sind diese Materialien spröde, d. h. im Falle eines Unfalls nicht splitterfrei.
Die Halbzeuge der Kategorie b) weisen einen hohen Anteil an Rohstoffen auf, welche auf Ölbasis produziert werden. Dies stellt zum einen eine hohe umwelttechnische Belastung dar, zum anderen sind diese Fasern aufgrund der hohen Ölpreise sehr teuer.
Die Halbzeuge der Kategorie c) werden in einem sehr aufwendigen Herstellverfahren produziert. Dabei sind diese Halbzeuge jedoch nur bedingt bis gar nicht lagerstabil und benötigen kostenintensive Bindemittel, welche ebenfalls ölpreisabhängig sind.
Beispiele für ein Halbzeug aus dieser Kategorie sind beispielsweise der US 200510245 161 A1 oder aus „Nachwachsende Rohstoffe – Jute statt Plastik”, in: Automobil Industrie/Innenausstattung, Mai 1997, S. 84–87 entnehmbar.
Die Halbzeuge der Kategorie d) besitzen ebenfalls einen hohen Anteil an ölabhängigen Umwelt- und Kostenfaktoren für die PP-Fasern und können nur in einem aufwendigen Verarbeitungsverfahren hergestellt werden, d. h. es muss eine Vorheizpresse eingesetzt werden.
Beispiele für derartige Halbzeuge sind in der DE 10 2004 053 131 A1 und der EP 0 233 767 B1 entnehmbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs, ein Halbzeug zur Heißpressverarbeitung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils und ein Formteil zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile nicht aufweisen
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs nach Anspruch 1, einem Halbzeug zur Heißpressverarbeitung nach Anspruch 3, einem Verfahren zur Herstellung eines Formteils nach Anspruch 7 und einem Formteil nach Anspruch 8.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Halbzeug hergestellt, welches Holzfasern, mindestens eine Langnaturfaser und ein duroplastisches Harz aufweist. Dabei stellt die Langnaturfaser zwischen 10 bis 50 Gew.-% des Halbzeugs und das duroplastische Harz zwischen 10 bis 25 Gew.-% des Halbzeugs dar. Die Holzfasern füllen die fehlenden Gew.-% auf.
Bei einer derartigen Materialkomposition werden nur wenige Bestandteile eingesetzt, welche ölbasiert sind. Von daher ist das Material bzw. das daraus hergestellte Halbzeug nahezu ölpreisunabhängig und aufgrund des geringen Anteils an erdölbasierenden Rohstoffen sehr umweltfreundlich. Zudem ist über das Verhältnis von Langnaturfasern zu Holzfasern das Eigenschaftsprofil des Materials über weite Bereiche einstellbar. Den unterschiedlichen Materialzusammensetzungen gemein ist jedoch die hohe Steifigkeit eines aus dem Halbzeug hergestellten Formteils, welches durch Erwärmung und Verpressung des Halbzeugs hergestellt werden kann. Des Weiteren ist eine derartige Materialkomposition lagerstabil und die hergestellten Halbzeuge sind über einen Zeitraum von mehreren Monaten bis zu einem Jahr lagerbeständig.
Ein weiterer Vorteil des Halbzeugs zur Heißpressverarbeitung ist es, dass ähnliche Technologien wie bei der vorab genannten Herstellung der Halbzeuge der Kategorie b) verwendet werden können. Obgleich das benutzte Material sehr gute Materialeigenschaften aufweist, ist es in der Herstellung preiswerter als die vorab genannten Varianten der Kategorien b), c) und d).
Bei der Herstellung des Halbzeugs wird auf ein Trockenverfahren zurückgegriffen. Dabei werden die Holzfasern und die Langnaturfasern zu einem Mischvlies oder zu einem geschichteten Sandwich vermischt, wobei das duroplastische Harz den Holzfasern vorzugsweise vorab zugegeben wird. Die Vermischung findet durch einen Faserlegungsprozess zu einem so genannten ”Nonwoven”-Material statt. Das ”Nonwoven”-Material bildet ein Mischvlies oder ein Sandwich. Um das Mischvlies bzw. das Sandwich mechanisch zu einem Halbzeug zu verfestigen, wird dieses anschließend vernadelt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbzeugs sind in den untergeordneten Ansprüchen aufgezeigt.
So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die Naturfaser des Materials eine Länge zwischen 20 mm und 150 mm aufweist. Gerade in diesem Längenbereich lassen sich die Materialeigenschaften des herzustellenden Halbzeugs besonders gut anhand der Länge der Langnaturfasern steuern.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn die Langnaturfaser Flachs und/oder Hanf aufweist. Flachs und/oder Kenaf und/oder Hanf sind besonders robuste und preiswerte Fasern, welche aufgrund ihrer Materialeigenschaften gut für die Weiterverarbeitung in Halbzeugen bzw. Halbzeugen zur Verwendung in der Automobilindustrie eingesetzt wenden können.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Holzfasern kürzer als 10 mm sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhaft, wenn das Mischvlies bzw. Sandwich mittels eines Krempel- oder eines Airlayverfahrens hergestellt wird. Aufgrund der bereits gesammelten Erfahrung mit Krempel- oder Airlayverfahren lassen sich die Materialeigenschaften und die Faserlegung besonders einfach herbeiführen.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn es sich um ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs handelt. Dabei werden die Fasern zusammen mit dem duroplastischen Harz zu einer endlosen Bahn vermischt. Das duroplastische Harz kann bei der Herstellung der Holzfasern mittels eines Imprägnierprozesses aufgebracht oder als Pulver auf die gelegten Fasern gesiebt werden. Dabei können die Vermischung und die Verfestigung innerhalb einer Maschine über mehrere Arbeitsschritte verteilt durchgeführt werden. Oftmals verläuft dabei das vernadelte Mischvlies entlang einer Bahn und wird dabei in Bahnrichtung verstreckt. Die Endlosbahn, welche sich zu unterschiedlichen Stufen aus Mischvlies und vernadeltem Mischvlies zusammensetzt, gibt das Halbzeug in fertigen Matten aus, wobei die Matten zurechtgeschnitten werden.
Vorteilhafterweise sind die Dicken der Matten zwischen 5 mm und 15 mm. Die Breite ist lediglich durch die Anlagenbreite beschränkt, da es sich zumeist um einen kontinuierlichen Herstellungsprozess handelt.
Das erfindungsgemäße Formteil weist als Ausgangsmaterial ein Halbzeug zur Heißpressverarbeitung auf. Dabei wird das Halbzeug auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des duroplastischen Harzes erwärmt und zu einem Formteil verpresst.
Dabei kann die Heißverpressung in einer Heißpresse in einem Arbeitsschritt durchgeführt wenden. Dabei ist eine Arbeitstemperatur zur Erwärmung von 150°C bis 300°C, vorzugsweise von 160°C bis zu 250°C vorteilhaft Allerdings ist es auch möglich das Ausgangsmaterial in zwei getrennten Arbeitsschritten zu erwärmen und zu einem Formteil zu pressen.
Das hergestellte Formteil zeigt die überraschende Wirkung, dass es durch die Zugabe der Langnaturfasern bei einem Crash splitterfrei bricht.
Weitere Aspekte des erfindungsgemäßen Halbzeugs bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens können aus den weiteren abhängigen Ansprüchen sowie den nachfolgenden Figuren entnommen werden.
Es zeigen
1a, b Ausführungsvarianten eines fertig gesteiften Halbzeugs in Form einer Matte; und
2 eine Variante des Verfahrens zur Herstellung eines Formteils.
Die 1a zeigt ein Halbzeug 1, welches zur weiteren Pressverarbeitung eingesetzt werden kann. Das Halbzeug 1 enthält im Wesentlichen drei verschiedene Komponenten. Dies sind zum einen Holzfasern 2, Langnaturfasern 3, ein duroplastisches Harz 4, welches die Holzfasern 2 mit den Langnaturfasern 3 bindet Als Holzfasern 2 werden hier Holzfasern mit einer Länge unter 10 mm eingesetzt. Bevorzugt werden hier Holzfasern eingesetzt, die aus Weichhölzern wie Nadelhölzern, z. B. Kiefer, Fichte oder Pinie, hergestellt werden.
Die Langnaturfasern 3 weisen eine Länge von 70 mm auf. Diese Länge kann jedoch variieren, bevorzugt zwischen 30 mm und 100 mm, jedoch auch in dem bereits angesprochenen größeren Intervall. Dabei ist gemeint, dass die Länge der Langnaturfasern in dem dargestellten Halbzeug 1 variieren kann. Es ist jedoch auch möglich, in dem Halbzeug 1 nahezu gleich lange Langnaturfasern 3 einzusetzen. Als Materialien für die Langnaturfasern sind beispielsweise Flachs oder Hanf oder eine Mischung aus den beiden gut geeignet.
Das duroplastische Harz 4 bindet die Holzfasern 2 und die Langnaturfasern 3. Besonders geeignet als Duroplaste sind hierbei Phenol-basierende Harze sowie alle anderen wasserdispergierbaren oder wasserlöslichen Harze, die unter Wärme vernetzen können, wie z. B. auch Acrylatharze.
Das dargestellte Halbzeug 1 liegt in Form einer Matte vor. Dabei weist die Matte eine Dicke von 10 mm, eine Länge 30 cm bis 3 m und eine Breite von 20 cm bis 2 m auf.
In der 1b ist eine weitere Ausführungsvariante des Halbzeugs schematisch dargestellt Dabei besteht das Halbzeug 1 aus einem Sandwich, wobei die Holzfasern 2 die Mittelschicht bilden und die Langnaturfasern 3 die Holzfasern 2 oben und unten schichtartig bedecken. Das duroplastische Harz ist in einem Imprägnierverfahren bereits auf die Holz- und Langnaturfasern aufgebracht worden.
In der 2 werden die unterschiedlichen Verfahrensschritte, welche zur Herstellung des Halbzeugs notwendig sind, schematisch dargestellt. Bei der Vermischung 10 werden die Holzfasern mit den Langnaturfasern vermischt Dabei werden die Fasern bevorzugt in einem Faserlegungsprozess übereinander angeordnet Ein derartiger Faserlegungsprozess kann beispielsweise durch ein Krempelverfahren oder ein Airlayverfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, vorgenommen werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Holzfasern, die Langnaturfasern und das duroplastische Harz so vermischt werden, dass die Herstellung eines flächigen Halbwerkzeugs, d. h. nicht eines Halbzeugs in Granulatform, möglich wird.
An den Schritt der Vermischung 10 anschließend wird das fasergelegte Mischvlies vernadelt. Die Vernadelung 11 wird mit einer Nadelmaschine durchgeführt und dient zur mechanischen Verfestigung des Mischvlieses. Dabei kann das fasergelegte Mischvlies auf einem Förderband zur Nadelmaschine transportiert werden. In dem in 2 dargestellten Fall wird anschließend das nun zu einem Halbzeug vernadelte Mischvlies bei der Formpressung 12 in einer Heißpresse bei ca. 200°C zu einem Formteil verpresst. Durch die Erwärmung des Halbzeugs auf eine Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur des angewendeten duroplastischen Harzes vernetzt dieses und bindet die Langnaturfasern und die Holzfasern aneinander. Im erwärmten Zustand wird das Halbzeug mit dem geschmolzenen duroplastischen Harz verpresst, wobei die Verpressung zu einem profilierten Formteil, wie beispielsweise einem Innenverkleidungsteil oder einer Ablage stattfindet.
Alternativ wird das Halbzeug in zwei getrennten Schritten zu einem Formteil weiterverarbeitet: Dabei wird beispielsweise eine Erwärmung in einem Ofen vorgenommen und anschließend das erwärmte Halbzeug in einer formgebenden Presse geformt.
Aufgrund der Lagerstabilität des hergestellten Halbzeugs zur Pressverarbeitung können die fertig hergestellten Matten jedoch auch bis zu ihrer anschließenden Heißpressung 12 gelagert werden.
Ein Beispiel einer Materialzusammensetzung für ein Halbzeug oder ein daraus geformtes Formteil ist:

Holzfasern: 65 Gew.-%

Bindemittel (Duroplast): 15 Gew.-%

Langnaturfasern: 20 Gew.-%
Die Angaben in Gewichtsprozent sind wie in der gesamten Anmeldung atro, d. h. ohne wässrige Anteile.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs (1), wobei das Halbzeug Holzfasern (2), Langnaturfasern (3) und ein duroplastisches Harz (4) aufweist, die Langnaturfasern (3) zwischen 10 bis 50 Gew.-% des Halbzeugs (1) und das duroplastische Harz (4) zwischen 10 bis 25 Gew.-% des Halbzeugs (1) bilden und die Holzfasern (2) die fehlenden Gew.-% auffüllen und das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Vermischung der Holzfasern (2) und der Langnaturfasern (3) zu einem Mischvlies oder einem Sandwich, wobei das duroplastische Harz (4) beigegeben oder die Holzfasern (2) imprägniert werden; b) Verfestigung des Mischvlieses oder des Sandwichs zu einem Halbzeug (1) durch Vernadeln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischvlies mittels eines Krempel- oder eines Airlayverfahrens hergestellt wird.
Halbzeug (1) zur Heißpressverarbeitung, hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend Holzfasern (2) und Langnaturfasern (3), wobei die Holzfasern (2) und die Langnaturfasern (3) vernadelt und mit einem duroplastischen Harz (4) gebunden sind, wobei die Langnaturfasern (3) 10 bis 50 Gew.-% des Halbzeugs (1) bilden, das duroplastische Harz (4) zwischen 10 bis 25 Gew.-% des Halbzeugs bildet und die Holzfasern die fehlenden Gew.-% auffüllen.
Halbzeug (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass die Langnaturfaser (3) eine Länge zwischen 20 mm und 150 mm aufweist.
Halbzeug (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Langnaturfaser (3) Flachs und/oder Kenaf und/oder Hanf aufweist.
Halbzeug (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzfaser (2) kürzer als 10 mm ist.
Verfahren zur Herstellung eines Formteils, wobei ein Halbzeug (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6 verwendet wird, welches folgenden Schritt umfasst Erwärmung des Halbzeugs (1) auf eine Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur des duroplastischen Harzes (4) und Verpressung des erwärmten Halbzeugs (1) zu einem Formteil.
Formteil, hergestellt durch ein Verfahren des Anspruchs 7.