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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Außerdem
besteht bei der Herstellung von partikelverstärkten Folien
aufgrund einer damit verbundenen erhöhten Scherviskosität
der Nachteil, dass das Herstellungsverfahren energetisch und verfahrenstechnisch
aufwendig sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Als
Thermoplast-Material ist vorzugsweise ein amorphes Material einzusetzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
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Es
zeigen dabei:
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1 eine
Extrusionseinrichtung zur Herstellung des Teilchenverbundwerkstoffes
und die daraus erzeugten Folie;
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2 eine
Düse zur Formgebung des Teilchenverbundwerkstoffes in Folienform;
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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;
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7 am
den Zusammenhang zwischen Wärmeausdehnungskoeffizient und
Schichtdicke verdeutlichendes Diagramm und
-
8 ein
den Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Viskosität verdeutlichendes
Diagramm.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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]