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Die
Erfindung betrifft ein Kunststoffbauteil für die Verwendung
im Motorraum eines Kraftfahrzeugs gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Derartige
Kunststoffbauteile sind aus der täglichen Praxis im Fahrzeugbau
bekannt. Auf Grund der Anordnung der Kunststoffteile im Motorraum
sind dabei die an solche Kunststoffteile gestellten Anforderungen
sehr komplex. Beispielsweise müssen die Kunststoffmaterialien
eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit, insbesondere hinsichtlich
schwerer Entflammbarkeit, und auch eine Temperaturwechselfestigkeit
aufweisen. Darüber hinaus ist eine Alterungsbeständigkeit
erforderlich, insbesondere um eine Materialversprödung
zu vermeiden. Dies schließt auch eine Chemikalienbeständigkeit
ein, da die Kunststoffbauteile im Motorraum beispielsweise mit Ölen, Schmutz
oder auch Spritzwasser in Berührung gelangen. Nicht zuletzt
müssen die Kunststoffbauteile eine hohe Geometriegenauigkeit über
ihre gesamte Lebensdauer aufweisen und sie sollten einfach und kostengünstig
herstellbar sein.
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Auf
Grund dieser komplexen Anforderungen werden in der täglichen
Praxis derartige Bauteile oftmals aus petrochemisch hergestellten
Polyamiden gefertigt. Am Markt sind diese Materialien unter verschiedenen
Markennamen und mit einer jeweils variierenden Strukturformel bekannt.
Zu den bekanntesten und am häufigsten verwendeten Polyamiden zählt
hierbei das Polyamid mit dem Kurzzeichen PA 6. Dieses Polyamid entsteht
durch Polymerisation von ε-Carprolactam zu PA 6. Mit seinen
technischen Eigenschaften erfüllt PA 6 die zuvor beschriebenen Anforderungen
und ist ferner wirtschaftlich herstellbar. Das daneben häufig
verwendete PA 66 (auch bekannt als „Nylon”) wird
ebenfalls petrochemisch hergestellt und hat ähnliche technische
Eigenschaften. Es entsteht durch Polykondensation von Hexamethylendiamin
und Adipinsäure unter Wasserabspaltung.
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In
Anbetracht der allgemein wachsenden Anforderungen an Kraftfahrzeuge,
insbesondere die Gewichtsreduktion von Bauteilen, wodurch ein Beitrag
zu einem niedrigen Kraftstoffverbrauch und reduzierten CO2-Austoß geleistet
wird, ist es Aufgabe der Erfindung, oben bezeichnete Kunststoffbauteile derart
zu verbessern, dass sie ein reduziertes Gewichts aufweisen, während
ihre technischen Eigenschaften weitgehend gleich bleiben und die
wirtschaftliche Herstellbarkeit weiterhin gegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe gelöst durch ein Kunststoffbauteil mit den
Merkmalen gemäß Anspruch 1. Dabei besteht das
Kunststoffbauteil für die Verwendung im Motorraum eines
Kraftfahrzeugs zumindest teilweise aus einem Biopolymer auf Polyamidbasis.
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Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass gerade Biopolymere auf Polyamidbasis, d.
h. Biopolyamide, vorteilhaft für Kunststoffbauteile im
Motorraum geeignet sind, da sie im Vergleich zu dem konventionell
bekannten und verbreiteten PA 6 eine geringere Dichte und darüber
hinaus auch eine geringere Wasseraufnahme aufweisen, während
die relevanten sonstigen technischen Eigenschaften, insbesondere
hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit
und auch Festigkeit und Zähigkeit weitgehend gleich bleiben.
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Unter
den Begriffen Biopolymer oder Biopolyamid wird im Rahmen der Anmeldung
ein Kunststoff verstanden, welcher zu überwiegenden Teilen, vorzugsweise
zu mehr als 50% seines Gewichts aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen
wird, beispielsweise mittels Fermentation.
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Als
vorteilhaft für das Kunststoffbauteil hat sich dabei die
Verwendung des Biopolyamids PA 6.10 erwiesen, welches aus den Grundstoffen
Hexammethylendiamin und Sebazinsäure hergestellt wird.
Dabei basiert PA 6.10 zu mehr als 60% auf dem nachwachsenden Rohstoff
Sebazinsäure, welcher aus dem Öl der Rizinuspflanze
bzw. der Rizinussamen gewonnen wird. Der restliche Anteil des Hexammethylendiamins
wird petrochemisch erhalten. Durch weitere chemische Behandlung
wird anschließend das Biopolyamid PA 6.10 erhalten. Im
Vergleich zum konventionellen PA 6 (Dichte 1,14 g/cm3;
Wasseraufnahme 3%) oder PA 66 (Dichte 1,13 g/cm3;
Wasseraufnahme 3%) weist das Biopolyamid PA 6.10 eine um 7,5% reduzierte
Dichte von 1,07 g/cm3 auf und gleichzeitig
eine um mehr als die Hälfte reduzierte Wasseraufnahme (gemessen
bei 23°C und 50% Raumfeuchtigkeit) von 1,4%. Außerdem
weist PA 6.10 im Vergleich zum konventionellen PA 6 ein verbessertes
Schlagzähigkeitsverhalten nach thermischer Alterung (bei
150°C) auf. [Messung nach DIN 53435 liefert
nach 500 h thermischer Alterung bei 150°C für
PA 6 GF 30 eine Schlagzähigkeit von circa 28 kJ/m2 und für PA 6.10 GF 30 von circa
32 kJ/m2; nach 700 h circa 22 kJ/m2 für PA 6 GF 30 und circa 30 kJ/m2 für PA 6.10 GF 30.] Die weiteren
relevanten technischen Eigenschaften, insbesondere Festigkeit und
Chemikalienbeständigkeit sind nahezu gleich. Daraus resultieren
letztlich eine erhebliche Gewichtseinsparung am Kunststoffbauteil
sowie eine vorteilhaft reduzierte Wasseraufnahme im Betrieb. Weiterhin
ist das Biopolyamid PA 6.10 auch durch die Rizinuspflanze als nachwachsendem
Rohstoff in ausreichender Menge verfügbar und dabei wirtschaftlich herstellbar.
Nicht zuletzt ist die Umweltverträglich eines Kunststoffbauteils
aus dem Biopolyamid PA 6.10 auf Grund seines Herstellprozesses wesentlich
verbessert.
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Eine
nochmalige, weitere Verbesserung, insbesondere hinsichtlich der
Umweltverträglichkeit, eines erfindungsgemäßen
Kunststoffbauteils wird durch die Verwendung des Biopolyamids PA
5.10 erreicht. Dabei basiert PA 5.10 zu 100% auf nachwachsenden
Rohstoffen und besteht aus Pentamethylendiamin, welches durch Fermentation
gewonnen wird, und Sebazinsäure, welche wiederum aus dem Öl
der Rizinuspflanze bzw. der Rizinussamen gewonnen wird. Durch weitere
chemische Behandlung wird anschließend das Biopolyamid
PA 5.10 erhalten. Im Vergleich zum konventionellen PA 6 weist das
Biopolyamid PA 5.10 ebenfalls eine um 7,5% reduzierte Dichte von
1,07 g/cm3 auf und gleichzeitig eine um nahezu
die Hälfte reduzierte Wasseraufnahme (gemessen bei 23°C
und 50% Raumfeuchtigkeit) von 1,8%. Die weiteren relevanten technischen
Eigenschaften hinsichtlicht Festigkeit, Zähigkeit, Alterungs- und
Chemikalienbeständigkeit sind ebenfalls nahezu gleich bleibend.
Somit resultieren wiederum eine erhebliche Gewichtseinsparung am
Kunststoffbauteil sowie eine vorteilhafte reduzierte Wasseraufnahme im
Betrieb.
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Als
vorteilhaft hat sich die Verwendung eines erfindungsgemäßen
Kunststoffbauteils als Abdeckung eines Luftfiltergehäuses
eines Kraftfahrzeugs gezeigt, da hier in vorteilhafter Art und Weise
eine entsprechende Gewichtsersparnis am Bauteil realisiert werden
kann. Eine Verwendung kann prinzipiell aber bei allen weiteren,
aus Kunststoff herstellbaren Bauteilen im Motorraum erfolgen, insbesondere
Luftfiltergehäuse, Motorabdeckung, Motorölwanne,
Module der Luftansaugung oder Luftführung.
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Die
zuvor beschriebene Erfindung ist aber nicht auf die genannten Bauteile
beschränkt, sondern vielmehr grundsätzlich auf
alle weiteren Kunststoffbauteile mit entsprechenden Anforderungen
im Kraftfahrzeug übertragbar. Beispielsweise sind hier
Versteifungselemente oder Verstärkungsstrukturen in Langs-,
Quer- oder Dachrahmen der Fahrzeugkarosserie zu nennen oder aber
auch Stoßfängerelemente. Ferner kann die Eigenschaft
beschriebener Kunststoffbauteile, insbesondere deren mechanische
Festigkeit, gezielt verbessert werden, indem der Kunststoffmatrix
bekannte Zuschlagstoffe, wie z. B. Fasern, auf bekannte Art beigemischt
werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Zur
Substitution von petrochemischen Polyamiden wird ein erfindungsgemäßes
Gehäuse eines Luftfilters aus Biopolymer gebildet. Das
Luftfiltergehäuse besteht aus dem Biopolyamid PA 6.10.
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Dabei
basiert das PA 6.10 zu mehr als 60% auf dem nachwachsenden Rohstoff
Sebazinsäure, welcher aus dem Öl der Rizinuspflanze
gewonnen wird. Rizinusöl wird durch Anbau auf nährstoffarmen Böden
gewonnen und steht damit hinsichtlich der erforderlichen Anbaufläche
in vorteilhafter Weise nicht im Wettbewerb mit der Nahrungsmittel-Produktion. Die
Verarbeitung des Biopolyamids ist wie bei herkömmlichen
Kunststoffen auf konventionellen Maschinen und angepassten Prozessparametern
möglich.
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Auf
Grund der geringeren Dichte zu konventionellem PA 6 resultiert für
das Luftfiltergehäuse eine Gewichtsersparnis von fast 100
g bei einem ursprünglichen Bauteilgewicht von ungefähr
1300 g. Damit leistet das Biopolyamid PA 6.10 einen beachtlichen
Leichtbaubeitrag, der zu einem geringeren Verbrauch beiträgt.
Die geringere Wasseraufnahme ist ebenfalls für diese und
andere mögliche Anwendungen vorteilhaft. Gleichfalls entsprechen
die Schweißnahtfestigkeiten denen des konventionellen PA
6.
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Somit
wird sowohl bei der Herstellung- als auch während der Nutzungsphase
des Luftfiltergehäuses weniger CO2 als bei den konventionell
eingesetzten Polyamiden emittiert, wodurch sich eine bessere Umweltverträglichkeit
des Bauteils ergibt. Folglich ergibt sich neben den technologischen
Vorteilen, insbesondere des signifikant geringeren Gewichts und
der deutlich reduzierten Wasseraufnahme des Materials, auch eine
vorteilhafte Ökologische Bilanzierung.
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Neben
dem beschriebenen Kunststoffbauteil im Motorraum als Luftfiltergehäuse
ist grundsätzlich aber auch deren Einsatz in weiteren Interieur-
und Exterieuranwendungen denkbar, beispielsweise Türgriffe,
Kühlerelemente sowie verschiedene Interieurbauteile im
nicht sichtbaren und sichtbaren Bereich. Für Kunststoffbauteile
aus Biopolymeren im Sichtbereich des In- oder Exterieurs zeigt sich
außerdem das Potenzial hinsichtlich einer optisch und haptisch
verbesserten Wertanmutung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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