DE102009016214A1 - Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes sowie Verfahren zur Herstellung von Folien aus den Teilchenverbundwerkstoff und Bauteil, welches den Verbundwerkstoff umfasst - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes sowie Verfahren zur Herstellung von Folien aus den Teilchenverbundwerkstoff und Bauteil, welches den Verbundwerkstoff umfasst Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes, welcher als Matrix ein Thermoplast-Material und darin eingelagerte Füllstoff-Partikel umfasst, wobei - das Thermoplast-Material als Matrixmaterial bereitgestellt wird, - Füllstoff-Partikel bereitgestellt werden, - das Thermoplast-Material und die Füllstoff-Partikel miteinander vermischt werden. Es ist vorgesehen, dass die Füllstoff-Partikel mit einem Volumenanteil von 2 bis 55% des herzustellenden Teilchenverbundwerkstoffvolumens dem Thermoplast-Material zugegeben werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Folien aus dem erfindungsgemäßen Teilchenverbundwerkstoff, ein Bauteil, insbesondere Karosserieteil, umfassend einen erfindungsgemäß hergestellten Teilchenverbundwerkstoff, ein Bauteil, insbesondere Karosserieteil, welches wenigstens eine erfindungsgemäß hergestellte Folie umfasst, sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Bauteil.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes sowie ein Verfahren zur Herstellung von Folien aus dem Teilchenverbundwerkstoff und ein Bauteil, insbesondere ein Karosserieteil, welches den Verbundwerkstoff umfasst, wobei der Verbundwerkstoff insbesondere in Form einer Folie im Karosserieteil verarbeitet sein kann.
  • Insbesondere in der Automobilindustrie gibt es Bestrebungen, Einzelteile oder Baugruppen der Fahrzeuge durch wirtschaftlich produzierbare, leichtere Bauteile zu ersetzen, die hinsichtlich der mechanischen und thermischen Belastbarkeit üblichen Blech- oder Stahlbauteilen gleichwertig sind.
  • Zu diesem Zweck wurden insbesondere modifizierte Verbundwerkstoffe konzipiert, wobei diese einerseits in Teilchenverbundwerkstoffe mit in einem Matrixwerkstoff dispergierten Partikeln und andererseits in Schichtverbunde zu unterteilen sind. Beide Verbundarten bewirken im Vergleich zu den unverstärkten Werkstoffen eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit und Steifigkeit bei Verringerung des Gewichts. Schichtverbunde werden üblicherweise durch Verstärkungslagen mit Faserbestandteilen, gegebenenfalls in Gewebeform, verstärkt. Eine Erhöhung der Anzahl der Schichten wirkt sich dabei üblicherweise als festigkeits- und steifigkeitssteigernd aus.
  • Problematisch bei derartigen Schichtverbundwerkstoffen ist allerdings, dass sie insbesondere bei dünner Ausführung der Deckfolien aufgrund der darunter angeordneten relativ unebenen Faser-Verstärkungslagen gegebenenfalls unzureichende Werte ihrer Oberflächenrauigkeit und/oder Oberflächenwelligkeit aufweisen, was sie für eine nachfolgende Lackierung nicht geeignet macht oder bei Lackierung einen verschlechterten optischen Eindruck bewirkt.
  • Grundproblem ist, dass Schichtverbunde mit an der Oberfläche angeordneten partikelverstärkten Folien und darunter angeordneten Faser-Zwischenlagen in ihren einzelnen Schichten unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei ist üblicherweise der Wärmeausdehnungskoeffizient einer oberflächenausbildenden Kunststoffschicht höher als der Wärmeausdehnungskoeffizient der Faserlagen. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ergeben sich bei Temperaturänderungen Verwerfungen beziehungsweise Schrumpfungsprozesse im Verbundmaterial, welche zu Deformierungen der Oberfläche und damit Beeinträchtigungen des optischen Effektes insbesondere nach Lackierung der Oberfläche führen.
  • Außerdem besteht bei der Herstellung von partikelverstärkten Folien aufgrund einer damit verbundenen erhöhten Scherviskosität der Nachteil, dass das Herstellungsverfahren energetisch und verfahrenstechnisch aufwendig sind.
  • Der Stand der Technik kennt unterschiedliche Ansätze zur Verstärkung von Kunststoffen, insbesondere von Thermoplasten. Es ist zum Beispiel in der DE 103 05 557 A1 und in der DE 103 05 558 A1 eine Zusammensetzung offenbart, die wenigstens einen Thermoplast enthält, der mit einem mineralischen, verstärkenden Füllstoff versetzt ist. Als Füllstoff wird hierbei Aluminiumsilicathydrat verwendet. Dadurch lassen sich die mechanischen Eigenschaften des aus diesen Verbundwerkstoff hergestellten Halbzeuges oder Fertigteil verbessern. Bei der Verarbeitung des Thermoplasts und der Füllstoffe wird der Thermoplast als Granulat und der Füllstoff als Granulat oder Pulver einem Doppelschneckenextruder zugeführt, der das Material aufschmilzt und dabei eine Vermischung der Materialkomponenten realisiert. Über die Partikelgröße des Aluminiumsilicathydrats sowie Angaben von Mengenprozenten hinsichtlich der Zugabe der Füllstoffpartikel zur Erreichung eines veränderten Wärmeausdehnungsverhaltens und/oder Scherviskositäten wird in diesen Dokumenten keine Aussage getroffen.
  • US 6,828,371 offenbart eine Dispersion aus einem thermoplastischen Polymer und einem Schichtsilicat. In diesem Dokument ist offenbart, welche einzelnen Polymere Anwendung finden können. Die Schichtsilicate werden als so genannte Nanocomposite in die Polymermatrix eingearbeitet. Dazu dient ein konventioneller Extruder. In diesem Dokument wird keine Aussage getroffen hinsichtlich der Mengenprozente von weiteren Füllstoff-Partikeln, insbesondere zur Beeinflussung des Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie der Scherviskosität der erzeugten Dispersion.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, am Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Folie aus dem Teilchenverbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen, mit denen in einfacher und energieeffizienter Weise die Herstellung eines Verbundwerkstoffes beziehungsweise einer Folie aus dem Verbundwerkstoff möglich ist, wobei der Teilchenverbundwerkstoff beziehungsweise die Folie einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und im erwärmten Zustand eine geringe Scherviskosität aufweisen sollen.
  • Die vorliegende Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Folien aus dem Teilchenverbundwerkstoff gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweiligen Verfahren sind in den Ansprüchen 2 bis 8 und 10 bis 12 beschrieben. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Bauteil, welches gemäß der Ansprüche 13 und 14 den erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoff beziehungsweise eine daraus hergestellte Folie umfasst. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 15, welches ein Bauteil umfasst, das ein erfindungsgemäß hergestellten Teilchenverbundwerkstoff, gegebenenfalls in Form einer Folie, umfasst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes zur Verfügung gestellt, welcher als Matrix ein Thermoplast-Material und darin eingelagerte Füllstoff-Partikel umfasst, wobei im Herstellungsverfahren das Thermoplast-Material als Matrix-Material bereit gestellt wird, Füllstoff-Partikel bereit gestellt werden, das Thermoplast-Material und die Füllstoff-Partikel miteinander vermischt werden, wobei die Füllstoff-Partikel mit einem Volumenanteil von 2 bis 55% des herzustellenden Teilchenverbundwerkstoffvolumens dem Thermoplast-Material zugegeben werden. Das Thermoplast-Material wird dabei üblicherweise als ein Granulat und die Füllstoff-Partikel als Pulver bereitgestellt. Durch das genannte erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Teilchenverbundwerkstoffe herstellen, die im Vergleich zu nicht mit Partikeln versetzten Thermoplasten einen verringerten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Außerdem haben derart hergestellte Teilchenverbundwerkstoffe im erwärmten Zustand, insbesondere bei einer Temperatur oberhalb der Glas-Übergangstemperatur, eine verringerte Scherviskosität, wodurch die Verarbeitung derartiger Materialgemische erleichtert beziehungsweise erst ermöglicht wird, was insbesondere auf die Fertigung von sehr dünnen Folien zutrifft.
  • Als Füllstoff-Partikelmaterial kann ein Siliziumdioxid mit einem Partikeldurchmesser von 100 nm eingesetzt werden. Alternativ dazu kann ein Füllstoff-Partikelmaterial ein Aluminiumoxid mit einem Partikeldurchmesser von 100 nm sein. In einer dritten Alternative lässt sich als Füllstoff-Partikelmaterial das Mineral LiAlSi2O6 mit einem Partikeldurchmesser von 3 μm einsetzen. Es hat sich herausgestellt, dass die Partikeldurchmesserwerte die angegebenen Durchmesserwerte nicht übersteigen sollte, wenn optimale Ergebnisse hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder der Scherviskosität erreicht werden sollen. Abweichungen von 15% der angegebenen Durchmesserwerte sind dann akzeptabel, wenn geringere Anforderungen an die Verarbeitbarkeit und/oder die mit dem Verbundwerkstoff in Zusammenwirkung mit Faserlagen realisierbaren bestehen.
  • Durch die Einlagerung der genannten Füllstoff-Partikel werden Kettenmolekülanordnung erzeugt, wodurch sich ein insgesamt kleinerer Wärmeausdehnungskoeffizient einstellt. Dieser kleinere Wärmeausdehnungskoeffizient macht sich insbesondere bei der Verarbeitung des Teilchenverbundwerkstoffes in einem Schichtverbund mit Faserlagen bemerkbar, in dem bei Temperaturänderungen aufgrund von aneinander angenäherten Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten geringere Dehnungen im Schichtverbund auftreten und demzufolge weniger Verwerfungen beziehungsweise Schrumpfungsprozesse insbesondere an der Schichtverbundoberfläche auftreten. Dadurch wird insgesamt eine Oberfläche mit geringerer Welligkeit und Rauigkeit ausgebildet, als sie mit unverstärkten Thermoplast-Folien herstellbar ist.
  • Als Siliziumdioxid findet insbesondere das so genannte Aerosil AR9200 Anwendung. Als Aluminiumoxid findet vorzugsweise das Aeroxid AluC Anwendung. Das Mineral LiAlSi2O6 ist auch unter dem Handelsnamen Spodumen bekannt. Vorzugsweise sollte immer nur einer der Füllstoffe Anwendung zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes finden. In besonderen Ausgestaltungen können allerdings auch Kombinationen der genannten Füllstoff-Partikel bei der Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes angewendet werden. Die Nano-Partikel werden in einer Schmelze des Thermoplast-Materials vorzugsweise dispergiert, um aus dieser Dispersions-Schmelze die Folien erzeugen zu können. Durch die Beimischung der genannten Füllstoff-Partikel ergibt sich im Gegensatz zur Beimischung anderer Partikel eine nur unwesentliche Erhöhung der Scherviskosität, so dass der Verarbeitungsprozess, wie zum Beispiel die Extrusion des Gemischas zu Folien mit dem gleichen Energieaufwand betreibbar ist, wie die Extrusion eines reinen Thermoplasten. Demzufolge lassen sich Extruder mit gleicher oder geringerer Leistung einsetzen, wie sie üblicherweise zur Extrusion von unmodifizierten Thermoplasten verwendet werden.
  • Bei der Anwendung des LiAlSi2O6 ist bevorzugt vorgesehen, dass dieses mit einer Menge von 20 bis 35% des herzustellenden Teilchenverbundwerkstoffvolumens dem Thermoplast-Material beigegeben wird. Zur Erreichung optimaler Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie Scherviskositäten hat sich herausgestellt, dass ein Anteil vom 25 bis 28% von LiAlSi2O6 dem Thermoplast beizugeben ist.
  • Bei der Anwendung von Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid als Füllstoff-Partikel sollten vorzugsweise 2 bis 16% des herzustellenden Teilchenverbundwerkstoffvolumens dem Thermoplast-Material beigegeben werden. Zur Herstellung von Teilchenverbundwerkstoffen mit optimalen Wärmeausdehnungskoeffizienten und gleichzeitig geminderter Scherviskosität hat sich herausgestellt, Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid mit jeweils einem Anteil von 2 bis 7% dem Thermoplast-Material beizugeben. Ausreichende Ergebnisse hinsichtlich des Wärmekoeffizienten lassen sich auch bei einer Zugabe von 7 bis 16% von Siliziumdioxid und Aluminiumoxid erreichen, wobei allerdings in diesem Bereich die Scherviskosität bereits leicht erhöht ist. Die Angaben hinsichtlich der zuzugebenden Menge an Siliziumdioxid und Aluminiumoxid beziehen sich auf jeweils nur einen der Füllstoffe und nicht auf eine Kombination der beiden Füllstoffe miteinander.
  • Als Thermoplast-Material ist vorzugsweise ein amorphes Material einzusetzen.
  • Versuche haben ergeben, dass dabei insbesondere Polyetherimit (PEI), Polyethersulfon (PES), Polycarbonat (PC) oder ein Blend aus Polycarbonat und Polybuthylenterephtalat (PC/PBT) eingesetzt werden kann. Bei Verwendung eines Polycarbonates empfiehlt sich der Einsatz eines hochtemperaturmodifizierten Polycarbonates zur gezielten Beeinflussung des Wärmeausdehnungskoeffizienten.
  • Die ausgewählten Thermoplaste haben generell auch in einem unmodifizierten Zustand einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Zudem haben die genannten Materialien den Vorteil einer geringen Scherviskosität bei ihrer Verarbeitung, insbesondere, wenn sie mit den erfindungsgemäß genannten Füllstoff-Partikeln vermischt sind. Außerdem weisen sie eine sehr geringe thermische Schwindung auf.
  • Die vorliegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur Herstellung von Folien aus dem erfindungsgemäß hergestellten Teilchenverbundwerkstoff gelöst, wobei das Gemisch aus Thermoplast-Material und Füllstoff-Partikel in einem Extrusionsprozess zur Herstellung der Folie aus dem Teilchenverbundwerkstoff erzeugt wird, und während des Extrusionsprozesses das Thermoplast-Material durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen wird und die Füllstoff-Partikel mit der Thermoplast-Schmelze vermischt werden und im Wesentlichen gleichzeitig das Gemisch aus Thermoplast-Schmelze und Füllstoff-Partikeln mittels Extrusion zur Folie ausgeformt wird.
  • Das heißt, dass die Füllstoff-Partikel in eine Schmelze des Thermoplast-Materials während des Extrusionsprozesses eingemischt werden, vorteilhafterweise bis zur Realisierung einer Dispersion. Es findet bevorzugt keine Mischung des Granulats des Thermoplastes mit den Füllstoff-Partikeln außerhalb des Extruders statt.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass nur eine Erwärmung zur Herstellung der Schmelze zwecks Vermischung des Thermoplast-Materials mit den Füllstoff-Partikeln und zugleich zwecks Extrusion zur Folienherstellung stattfindet. Das heißt, dass für die Erzeugung des Gemischs und für den Urformvorgang nur eine einmalige Erwärmung notwendig ist. Dies bewirkt eine geringe thermische Belastung der verwendeten Werkstoffe und damit eine verbesserte Folienqualität und/oder bessere Verarbeitbarkeit der Folie.
  • Bedingt durch die Auswahl der speziellen Füllstoff-Partikel kann der Temperaturbereich der Erwärmung niedrig gehalten werden, was sich schonend auf das Werkstoffgemisch auswirkt und Einsparung von Energie bei Durchführung des Herstellungsprozesses ermöglicht.
  • Die Mischung des Thermoplast-Materials mit den Füllstoff-Partikeln erfolgt dabei im Extruder, so dass insgesamt von einer Gleichzeitigkeit der beiden Vorgänge Mischen und Folienformung ausgegangen werden kann.
  • In einem Einfüllbereich des Extruders erfolgt die parallele Zugabe von Thermoplast-Material und Füllstoff-Partikeln. Durch ein ansteigendes Temperaturprofil im Extrusionsverlauf erfolgt die Erwärmung der eingegebenen Materialien, so dass das Thermoplast-Material aufgeschmolzen wird und die Füllstoff-Partikel, insbesondere bedingt durch die Extrusionsprozess, sich mit der Thermoplastmaterialschmelze vermischen. Optimalerweise erfolgt die Vermischung bis in einen Zustand der Dispersion. Im Extrusions-Ausgangsbereich erfolgt die Formung des Gemischs aus Schmelze und Füllstoff-Partikeln zur Folie.
  • Optimalerweise haben das Thermoplast-Material und die Füllstoff-Partikel am Ort der Zuführung zum Extrusionsprozess eine Temperatur von 473 bis 573 K und das Gemisch aus Thermoplast-Schmelze und Füllstoff-Partikel hat am Ort der Folienformgebung eine Temperatur von 563 bis 703 K. Das bedeutet, dass während des Extrusionsverlaufes die Temperatur des Thermoplast-Materials und die Füllstoff-Partikel beziehungsweise der daraus hergestellten Schmelze ansteigt, bis aus der Schmelze die Folie geformt wird und diese an der Umgebungsluft abkühlt.
  • Vorteilhafterweise wird ein Strang der Schmelze des Teilchenverbundwerkstoffes mit einem bestimmten Durchmesser in eine Düse mit bestimmter Spaltlänge und bestimmter Spaltbreite extrudiert, wobei das Verhältnis von Strangdurchmesser zur Spaltlänge und Spaltbreite 1:6...7:0,2 betragen sollte. Es lassen sich damit zuverlässig und in ausreichender Qualität Thermoplast-Folien mit einer Dicke von 0,05 bis 0,5 mm produzieren. Die Dicke und Länge des Spaltes hat maßgeblichen Einfluss auf die von der Düse bewirkte Gegenkraft gegen die von der Schnecke des Extruders aufgebrachte Auspresskraft.
  • Erfindungsgemäß wird außerdem ein Bauteil, insbesondere ein Karosserieteil, zur Verfügung gestellt, welches den erfindungsgemäß hergestellten Teilchenverbund-Werkstoff umfasst. Ein solches Bauteil hat den Vorteil eines geringen Gewichts, geringer Herstellungskosten sowie ausreichender mechanischer Belastbarkeit und Temperaturbeständigkeit in Verbindung mit der Möglichkeit der Realisierung einer lackierfähigen Oberfläche.
  • Außerdem wird erfindungsgemäß ein Bauteil, insbesondere ein Karosserieteil, zur Verfügung gestellt, welches eine Folie umfasst, die aus dem erfindungsgemäß hergestellten Teilchenverbundwerkstoff hergestellt ist. Diese Folie bildet mit wenigstens einer weiteren Schicht aus einem anderen Material zusammen einen nano- oder mikromodifizierten Faser-Thermoplast-Schichtverbund (nFTS) aus. Es kann dabei vorgesehen sein, dass mehrere mit Füllstoff-Partikeln erfindungsgemäß hergestellte Folien im Schichtverbund vorgesehen werden oder dass auch nur eine erfindungsgemäß mit Füllstoff-Partikeln versetzte Folie angeordnet ist. Zwischen den Folien können weitere, unversetzte Thermoplast-Folien und/oder Verstärkungslagen angeordnet sein.
  • Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Folien, die aus einem Verbundwerkstoff aus thermoplastischem Material und Mikro- und/oder Nanofüllstoffen bestehen oder diesen umfassen, wird die Wärmeausdehnung des Verbundwerkstoffes deutlich reduziert.
  • Insbesondere der Schichtaufbau ermöglicht die Herstellung von Karosserieteilen, welche aufgrund ihres Schichtaufbaus mit Faserverstärkungen hervorragende mechanische Eigenschaften mit der Ausbildung lackierfähiger Oberflächen kombinieren, dass sie aufgrund des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Folie an der Oberfläche und den dadurch bedingten nur geringfügigen Wärmedehnungen im Schichtverbund bei Temperaturänderung nur geringfügige Schrumpfungen beziehungsweise Verwerfungen aufweisen.
  • Außerdem ist die Erfindung durch ein Kraftfahrzeug, welches ein Bauteil aus oder mit dem erfindungsgemäß hergestellten Teilchenverbundwerkstoff und/oder einer Folie daraus umfasst, sinnvoll ausgeführt.
  • Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigen dabei:
  • 1 eine Extrusionseinrichtung zur Herstellung des Teilchenverbundwerkstoffes und die daraus erzeugten Folie;
  • 2 eine Düse zur Formgebung des Teilchenverbundwerkstoffes in Folienform;
  • 3 einen die erfindungsgemäß hergestellte Folie umfassender Schichtverbund;
  • 4 ein den Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Wärmeausdehnungskoeffizient verdeutlichendes Diagramm;
  • 5 ein den Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Viskosität verdeutlichendes Diagramm;
  • 6 einen Schichtverbund, welcher reine Thermoplast-Folien umfasst;
  • 7 am den Zusammenhang zwischen Wärmeausdehnungskoeffizient und Schichtdicke verdeutlichendes Diagramm und
  • 8 ein den Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Viskosität verdeutlichendes Diagramm.
  • In 1 ist eine Extrusionseinrichtung 100 dargestellt, welche im Wesentlichen einen Einfüllstutzen 10, einen Extrusionsbereich 20 und eine Düse 30 umfasst. Mittels der Extrusionseinrichtung 100 lässt sich aus Granulat des Thermoplast-Materials sowie den Füllstoff-Partikeln eine Folie 1 aus der Düse 30 herauspressen. Die Folie 1 kann durch Einsatz einer Abzugseinrichtung 200 als Endlosmaterial erzeugt werden.
  • Um das zu verwendende Material dem Extrusionsprozess zur Verfügung zu stellen, weist der Einfüllstutzen 10 einen Granulat-Eingabebereich 11 sowie einen Partikel-Eingabebereich 12 auf. Nach Zugabe des Thermoplast-Granulats und der Füllstoff-Partikel in den Extrusionsbereich 20 werden die beiden Materialien durch die Extrusionseinrichtung 100, die vorteilhafter Weise ein Schneckenextruder und insbesondere ein Doppelschneckenextruder sein kann, gemischt und unter Druckerhöhung mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung der Düse 30 transportiert. Dabei durchläuft das Materialgemisch verschiedene Sektionen 21 bis 27 des Extrusionsbereiches 20. Die Extrusionseinrichtung 100 weist nicht dargestellte Erwärmungseinrichtungen auf, die das Gemisch von Thermoplast-Material und Füllstoff-Partikel während der Extrusion erwärmt. Ein vorteilhafter Temperaturanstieg zwischen dem Ort der Zuführung 28 des zu extrudierenden Materials sowie dem Ort der Folienformgebung 29 ist eine Erwärmung des Materialgemischs im ersten Extrusions-Längenabschnitt 21 auf eine Temperatur von 533 K, im zweiten Extrusions-Längenabschnitt 22 auf eine Temperatur von 593 K und in den dritten bis siebenten Extrusions-Längenabschnitten 23 bis 27 auf eine Temperatur von 613 K. Am Ort der Folienformgebung 29, also in der Düse 30, erfolgt die Erwärmung vorteilhafterweise auf eine Temperatur von bis zu 633 K. Die Erfindung ist dabei nicht auf die angegebenen Temperaturen in den beschriebenen Längenabschnittseinteilung festgelegt, sondern auch dann noch sinnvoll ausgeführt, wenn die Temperatur mit einer Toleranz von ±20% der angegebenen Temperaturwerte variiert wird.
  • Durch die Zuführung von Wärme wird das verwendete Thermoplast-Material über seine Erweichungstemperatur TG erwärmt, so dass das Thermoplast-Material als Schmelze mit bestimmter Viskosität vorliegt. Durch den Extrusionsprozess kommt es zu einer Vermischung der Schmelze des Thermoplast-Materials mit den Füllstoff-Partikeln, so dass diese sich gleichmäßig im Thermoplast-Material verteilen, möglichst bis zu Herstellung einer Dispersion. Am Ort der Folienformgebung 29 liegt somit ein Gemisch von Thermoplast-Material und Füllstoff-Partikeln mit einer Temperatur von 613 bis 633 K vor. Diese Schmelze beziehungsweise dieses Gemisch wird durch die Düse 30 gepresst.
  • Wie in 2 dargestellt, umfasst die Düse 30 einen Zuführungskanal 31 zur Aufnahme der Schmelze sowie einen Spalt 32 zur Ausgabe der Schmelze in Folienform. Zur notwendigen Abkühlung der erhitzten Schmelze weist die Düse 30 Kühlkanäle 33 auf, die eine Wärmeabfuhr der Wärme der Schmelze an das in den Kühlkanälen 33 befindliche Kühlmittel bewirken. Durch die Abkühlung wird die Temperatur der Schmelze derart vermindert, dass diese in einem mehr oder weniger festen Zustand den Spalt 32 passiert. Der Spalt 32 der Düse 30 ist dabei derart dimensioniert, dass er einen relativ engen Durchlass für die Schmelze beziehungsweise die herzustellende Folie realisiert und somit den für den Betrieb der Extrusionseinrichtung 100 notwendigen Gegendruck aufbaut. Der Durchmesser des Zuführungskanals 31 kann zum Beispiel 10 mm betragen und sich im Verlauf des Materialflusses durch die Formgebung der Düse 30 verringern. Ausgehend von dem Zuführungskanal 31 wird die Düse allerdings stark verbreitert, zum Beispiel bis auf ein Maß von 6,5 cm, die der Länge des Spaltes 32 entspricht. Die Spaltbreite kann zum Beispiel 0,2 mm betragen, um somit Folien mit einer Dicke von 0,2 mm und einer Breite von 6,5 cm herstellen zu können.
  • Durch die Extrusionseinrichtung 100 lässt sich somit in energiesparender und materialschonender Weise eine füllstoffverstärkte Folie 1 herstellen. Wie in 3 dargestellt, können partikelverstärkte Folien mit einer ersten Partikeldichte 1 sowie auch bei Änderungen des Mengenverhältnis der Füllstoffpartikel partikelverstärkte Folien mit einer zweiten Partikeldichte 2 hergestellt werden. Diese partikelverstärkten Folien 1 und 2 lassen sich in Kombination mit Verstärkungslagen 3, die vorteilhafterweise als Fasermatten ausgeführt sind, sowie gegebenenfalls Thermoplast-Folien 4, die nicht mit Füllstoff-Partikeln versetzt sind, zu einem Schichtverbund beziehungsweise einem mehrere Schichten umfassenden Halbzeug oder Verbundwerkstoff kombinieren.
  • In 4 ist der Zusammenhang zwischen der Schichtdicke eines Verbundwerkstoffes, der füllstoffversetzte Thermoplast-Folien umfasst, dargestellt. Es ist ersichtlich, dass durch die Anordnung von Folien 1, 2 mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Gesamt-Wärmeausdehnungskoeffizient α des Schichtverbundes geringer wird.
  • In 5 ist der Zusammenhang zwischen der Schichtdicke des Schichtverbundes und der Viskosität des Verbundwerkstoffes als Gemisch mit Füllstoff-Partikeln dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich bei zunehmender Schichtdicke eine größere Variationsbreite der einstellbaren Viskosität ergibt.
  • Im Gegensatz dazu sei auf die 6 bis 8 verwiesen, wobei in 6 ein Schichtverbund dargestellt ist, der Thermoplast-Folien 4, die nicht mit Füllstoffpartikeln versetzt sind, in Kombination mit Verstärkungslagen 3 zeigt. In 7 ist der Zusammenhang zwischen der Schichtdicke des Schichtverbundes und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass sich der Wärmeausdehnungskoeffizient α bei Variationen der Schichtdicke nicht ändert. Ähnliches ist in 8 dargestellt, aus der ersichtlich ist, dass auch die Viskosität v bei Änderung der Schichtdicke konstant bleibt.
  • Daraus ist ersichtlich, dass durch die erfindungsgemäße Zugabe von Füllstoff-Partikeln ein Teilchenverbundwerkstoff und daraus hergestellte Folien produzierbar sind, die, insbesondere bei Anwendung bei einem Schichtverbund, zur Verringerung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Verbundwerkstoffes führen und somit in Zusammenwirkung mit Verstärkungslagen, wie zum Beispiel Faserschichten, bei Temperaturänderungen eine Verringerung der temperaturbedingten Verformungen bewirken. Der zweite Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die Zugabe der Füllstoff-Partikel die Scherviskosität des zu extrudierenden Thermoplast-Materials nicht erhöht wird, so dass Extrusionseinrichtungen mit relativ geringerer Leistung einsetzbar sind und dadurch das Herstellungsverfahren energieeffizient durchführbar ist. Außerdem lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren Folien mit sehr geringer Dicke und hervorragender Oberfläche produzieren. Das Verfahren lässt sich in einem materialschonenden Prozess durchführen, da, bedingt durch die nur einmalige Erwärmung während der Extrusion, nur eine geringe thermische Belastung des Thermoplast-Materials und der Füllstoff-Partikel realisiert wird. Das heißt, dass die Herstellung des Compounds aus Thermoplast-Material und Füllstoff-Partikel sowie die Ausformung der Schmelze zu einer Folie in nur einem Verarbeitungsschritt, den so genannten Inline-Compounding, vorzugsweise unter Verwendung eines Doppelschneckenextruders, durchgeführt wird.
  • Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren sind somit thermoplastische Kunststoffe mit geringer Wärmeausdehnung und hohen Klimawechselfestigkeiten herstellbar. Dies wird insbesondere durch die Verstärkung des Thermoplast-Materials mit Nanopartikeln erreicht. Die daraus hergestellten Halbzeuge weisen eine geringe thermische Schwindung bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen mechanischen Tragfähigkeit auf und sind somit insbesondere für automobile Außenhautanwendungen geeignet. Neben dem beschriebenen Herstellungsverfahren bezieht sich die Erfindung selbstverständlich auch auf die damit hergestellten Produkte, nämlich auf den Teilchenverbundwerkstoff, und daraus hergestellten Folien beziehungsweise die daraus hergestellten Bauteile.
  • 1
    partikelverstärkte Folie mit einer ersten Partikeldichte
    2
    partikelverstärkte Folie mit einer zweiten Partikeldichte
    3
    Verstärkungslage
    4
    Thermoplast-Folie
    10
    Einfüllstutzen
    11
    Granulat-Eingabebereich
    12
    Partikel-Eingabebereich
    20
    Extrusionsbereich
    21
    erster Extrusions-Längenabschnitt
    22
    zweiter Extrusions-Längenabschnitt
    23
    dritter Extrusions-Längenabschnitt
    24
    vierter Extrusions-Längenabschnitt
    25
    fünfter Extrusions-Längenabschnitt
    26
    sechster Extrusions-Längenabschnitt
    27
    siebenter Extrusions-Längenabschnitt
    28
    Ort der Zuführung
    29
    Ort der Folienformgebung
    30
    Düse
    31
    Zuführungskanal
    32
    Spalt
    33
    Kühlkanal
    100
    Extrusionseinrichtung
    200
    Abzugseinrichtung
    α
    Wärmeausdehnungskoeffizient
    V
    Viskosität
    Z
    Schichtdicke
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10305557 A1 [0007]
    • - DE 10305558 A1 [0007]
    • - US 6828371 [0008]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes, welcher als Matrix ein Thermoplast-Material und darin eingelagerte Füllstoff-Partikel umfasst, wobei – das Thermoplast-Material als Matrixmaterial bereitgestellt wird, – Füllstoff-Partikel bereitgestellt werden, – das Thermoplast-Material und die Füllstoff-Partikel miteinander vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoff-Partikel mit einem Volumenanteil von 2 bis 55% des herzustellenden Teilchenverbundwerkstoffvolumens dem Thermoplast-Material zugegeben werden.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff-Partikelmaterial ein Siliziumdioxid mit einem maximalen Partikeldurchmesser von 100 nm eingesetzt wird.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff-Partikelmaterial ein Aluminiumoxid mit einem maximalen Partikeldurchmesser von 100 nm eingesetzt wird.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff-Partikelmaterial das Mineral LiAlSi2O6 mit einem maximalen Partikeldurchmesser von 3 μm eingesetzt wird.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des LiAlSi2O6 20 bis 35% des herzustellenden Teilchenverbundwerkstoffvolumens beträgt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Siliziumdioxid und des Aluminiumoxid jeweils 2 bis 16% des herzustellenden Teilchenverbundwerkstoffvolumens beträgt.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Thermoplast-Material ein amorphes Material verwendet wird.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Teilchenverbundwerkstoffes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Thermoplast-Material eines der Materialien Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polycarbonat (PC) oder ein Blend aus Polycarbonat und Polybutylenterephtalat (PC/PBT) eingesetzt wird.
  9. Verfahren zur Herstellung von Folien aus dem in wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche beanspruchten Teilchenverbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Thermoplast-Material und Füllstoff-Partikel in einem Extrusionsprozess zur Herstellung der Folie aus dem Teilchenverbundwerkstoff erzeugt wird, wobei während des Extrusionsprozesses das Thermoplast-Material durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen wird und die Füllstoff-Partikel mit der Thermoplast-Schmelze vermischt werden und im Wesentlichen gleichzeitig das Gemisch aus Thermoplast-Schmelze und Füllstoff-Partikel mittels Extrusion zu Folie ausgeformt wird.
  10. Verfahren zur Herstellung von Folien nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoplast-Material und die Füllstoff-Partikel am Ort der Zuführung (28) zum Extrusionsprozess auf eine Temperatur von 473 bis 573 K und das Gemisch aus Thermoplast-Schmelze und Füllstoff-Partikel am Ort der Folienformgebung (29) auf eine Temperatur von 563 bis 703 K erwärmt wird.
  11. Verfahren zur Herstellung von Folien nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoplast-Material und die Füllstoff-Partikel am Ort der Zuführung (28) zum Extrusionsprozess auf eine Temperatur von 523 bis 543 K und das Gemisch aus Thermoplast-Schmelze und Füllstoff-Partikel am Ort der Folienformgebung (29) auf eine Temperatur von 623 bis 643 K erwärmt wird.
  12. Verfahren zur Herstellung von Folien nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strang der Schmelze des Teilchenverbundwerkstoffes mit einem bestimmten Durchmesser in eine Düse (30) mit bestimmter Spaltlänge und bestimmter Spaltbreite extrudiert wird, wobei das Verhältnis von Strangdurchmesser zu Spaltlänge und Spaltbreite 1:6,0...7,0:0,02 beträgt.
  13. Bauteil, insbesondere Karosserieteil, umfassend einen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Teilchenverbundwerkstoff.
  14. Bauteil, insbesondere Karosserieteil, welches wenigstens eine gemäß wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11 hergestellte Folie umfasst, wobei die Folie mit wenigstens einer weiteren Schicht aus einem anderen Material zusammen einen Schichtverbund ausbildet.
  15. Kraftfahrzeug, welches wenigstens eines der Bauteile nach einem der Ansprüche 13 oder 14 umfasst.
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