DE102011054969B4

DE102011054969B4 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Schichtkörpers mit mindestens je einer aus PU-Harz und aus glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildeten Schicht.

Info

Publication number: DE102011054969B4
Application number: DE201110054969
Authority: DE
Inventors: Peter Dolibog
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: DE102011054969A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Schichtkörpers mit mindestens je einer aus einem Polyurethanformteil bestehenden ersten Schicht und einer aus glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildeten zweiten Schicht, wobei beide Schichten durch eine Zwischenschicht verbunden sind, die aus einem Monomeren gebildet wird, das reaktive Gruppen enthält, die zum Einen mit den ungebundenen Endgruppen der PU-Harze und zum Anderen mit den Monomeren der glasfaserverstärkten zweiten Kunstharzschicht reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Negativform eine Schicht eines hochreaktiven strukturellen Gemisches aus aromatischen oder aliphatischen Isocyanat und einem Polyolgemisch eingespritzt wird und, dass nachdem die Polymerisation zu 80 bis 99% abgelaufen ist, ein Film aus einer Lösung von prepolymerem Isocyanat in Lösungsmittel mit einem Isocyanatanteil von 10 bis 50% auf die der Form abgewandten Seite des entstandenen Polyurethanformkörpers aufgebracht wird und, dass auf diesen Film eine Schicht eines glasfaserverstärkten Kunstharzes mit einem Glasfaseranteil von 25 bis 40% nach bekannten Laminierverfahren aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Schichtkörpers gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Dreidimensionale Bauteile aus glaserverstärktem Kunststoff sind seit langem gängiger Stand der Technik. Sie bestehen zumeist aus einem Flächengebilde aus Verstärkungsfasern, das mit dem Kunstharz getränkt und vielfach in einer Form ausgehärtet wurde. Als Verstärkungsfasern werden neben Glasfaser auch pflanzliche oder Kohlenstofffasern und als Kunstharze Polyester-, Vinylester-, Epoxid-, oder Acrylharze verwendet.
Die Oberflächen solcher Verbundwerkstoffe sind oft wenig ansehnlich und außerdem nicht licht- und witterungsbeständig. Sie müssen deshalb mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden. Vor der Oberflächenbeschichtung von Epoxidharz/Vinylesterharz-Verbundwerkstoffen muss geschliffen und gespachtelt werden, da es bei der direkten Oberflächenbeschichtung des Verbundwerkstoffs zur Aufrichtung von Fasern kommt. Eine Alternative dazu ist der Einsatz eines Gelcoats, wie es beispielsweise in der DE 103 44 379 B4 vorgeschlagen wurde. Ein Gelcoat ist eine Kunstharzformulierung vor dem eigentlichen Laminataufbau und gleichzeitig auch eine ansehnliche und gegebenenfalls licht- und witterungsbeständige Oberfläche.
Die DE 103 44 379 B4 schlägt hierfür die Verwendung einer Zweikomponenten-Zusammensetzung vor, die zum einen eine Polyolkomponente, aus niedrigmolekularen Polyolen, höhermolekularen Polyolen, lichtbeständigen aromatischen Aminen und zum anderen eine Polyisocyanatkomponente aus ein oder mehreren Polyisocyanaten enthält.
Diese Zweikomponenten-Zusammensetzung soll zur Herstellung von flexiblen Polyurethan-Gelcoats für Kunstharz-Verbundwerkstoffe verwendet werden, wobei das Kunstharz Epoxidharz und/oder Vinylesterharz sein kann. Wichtig ist hierbei, dass das Kunstharz beim Aufbringen der Gelcoatschicht nicht oder nicht vollständig ausgehärtet ist.
Bei dieser Lösung dient die aufgebrachte Gelcoatschicht nur der optischen Verbesserung der Oberfläche. Die mechanischen Eigenschaften werden ausschließlich durch den faserverstärkten Kunststoff bestimmt. Diese faserverstärkten Kunststoffe zeichnen sich durch hohe mechanische und thermische Stabilität aus, sind jedoch andererseits relativ spröde und damit schlag- und stoßempfindlich. Die aufgetragene Gelcoatschicht führt nicht dazu, dass diese Sprödigkeit abgebaut wird. Im Gegensatz hierzu weisen Polyurethanformteile eine hohe Schlagzähigkeit auf. Nachteilig für Polyurethanformteile ist deren sehr niedrige Stabilität und schlechtes Schrumpfverhalten. Auch wenn weitere Polyurethanschichten zur Stabilisierung aufgetragen werden, bleiben das ungünstige Schrumpfverhalten und die schlechte Stabilität des gesamten Aufbaus erhalten. Eine Verstärkung von Polyurethanformkörpern durch Einarbeitung von Fasermaterialien ist derzeit technologisch nicht realisierbar, da mit den bisher bekannten Verfahren maximal 10% Kurzfasern eingearbeitet werden können. Das Auftragen stärkerer Schichten von Polyurethan auf faserverstärkte Kunststoffe, zur Kombination der guten Eigenschaften beider Kunststoffe, scheiterte bisher an dem schlechten Verbund der Polyurethanschicht mit den faserverstärkten Kunststoffen.
Die in der DE 00 0003 888 427 T2 beschriebene Erfindung stellt sich unter Anderem die Aufgabe einen grundierungsfreien Klebstoff bereitzustellen, der die hohe Bindungsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen behält. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung einen grundierungsfreien Klebstoff bereitzustellen, der bei erhöhten Temperaturen stärker als im Handel erhältliche eine Grundierung erfordernde Klebstoffe ist. Dazu wird ein grundierungsfreier Polyurethankonstruktionsklebstoff für glasfaserverstärkten Polyester, Faser-Matrix-Halbzeuge und andere verstärkte Plastiksubstrate vorgeschlagen, wobei der grundierungsfreie Klebstoff zwei Teile umfasst:
einen ersten Teil, der ein Gemisch aus einem Präpolymerbestandteil und einem Polyisocyanat ist, das aliphatische Kohlenstoffatome in a-Stellung zu den Isocyanatgruppen aufweist, und einen zweiten Teil, der ein Härter ist. Das Präpolymer ist das Umsetzungsprodukt eines Diols und eines aromatischen Polyisocyanats, wobei das Präpolymerprodukt 3 bis 15 Prozent freie Isocyanatgruppen aufweist. Der Härterteil umfasst ein polyfunktionelles Polyetherpolyol, ein Diamin und gegebenenfalls einen Katalysator. Hiermit lassen sich Formteile aus Polyurethan mit solchen aus glasfaserverstärkten Polyester, die in getrennten Verfahrensschritten erzeugt wurden fest und dauerhaft verbinden. Da es jedoch aufgrund der unterschiedlichen Schrumpfeigenschaften der Werkstoffe schwierig ist diese so passgenau zu fertigen, dass sie ohne größeren aufwand miteinander verklebt werden können, ist es Aufgabe der Erfindung deshalb ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Schichtkörper vorzuschlagen, der die hohe Formstabilität faserverstärkter Kunststoffe mit der Schlagunempfindlichkeit eines Polyurethanformkörpers vereint.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein solcher Schichtkörper entsprechend den Schritten des Patentanspruchs erzeugt wird.
Ein dreidimensional geformter Schichtkörper besteht mindestens aus einer ersten Schicht aus einem Polyurethanformteil und einer zweiten Schicht aus faserverstärktem Kunststoff. Beide Schichten sind durch eine Zwischenschicht verbunden, die aus einem Monomeren gebildet wird, das reaktive Gruppen enthält, die zum einen mit den ungebundenen Endgruppen der PU-Harze und zum anderen mit den Monomeren der glasfaserverstärkten zweiten Kunstharzschicht reagieren.
Dabei besteht das Polyurethanformteil aus einem hochreaktiven Polyurethansystem, das in eine Negativform, insbesondere eine Kunststoffnegativform gespritzt wurde. Durch die Verwendung hochreaktiver Polyurethansysteme ist es möglich, Schichtdicken von mindestens 0,3 mm bis zu mehreren Zentimetern in die Form zu spritzen.
Das hochreaktive Polyurethansystem besteht hierbei vorzugsweise aus aromatischen oder aliphatischen Isocyanaten und einer Polyolformulierung. Nach dem Mischen der Komponenten kann das System innerhalb weniger Sekunden soweit auspolymerisieren, dass eine gute Standfestigkeit innerhalb der Form erreicht wird.
Auf das Polyurethanformteil wird vor deren vollständiger Aushärtung eine Kupplungsschicht, vorzugsweise aus Covernetzern, wie verflüssigtem prepolymeren Isocyanat aufgetragen. Diese Isocyanate docken an noch ungebundene OH-Gruppen in der Polyurethanoberfläche an und stellen mit ihren freien NH2-Gruppen die Verbindung zur zweiten Schicht aus faserverstärktem Kunststoff her. Hierzu werden vorzugsweise Glasfasern, die sowohl als Flächen in Form von Gewebematten oder Vlies als auch als geschnittene Faser vorliegen können, durch ein Kunstharz gebunden und auf die Polyurethanoberfläche aufgebracht. Als Kunstharz wird vorzugsweise Polyesterharz verwendet. Ebenso sind aber auch Vinylester-, Epoxid- oder Acrylharze einsetzbar.
Die Herstellung eines dreidimensional geformten Schichtkörpers geht erfindungsgemäß so vor sich, dass in eine Negativform eine Schicht eines hochreaktiven strukturellen Gemisches aus aromatischen oder aliphatischen Isocyanaten und einem Polyol eingespritzt wird. Nachdem die Polymerisation zu 80 bis 99% abgelaufen ist, wird ein Film aus prepolymerem Isocyanat auf die der Form abgewandten Seite des entstandenen Polyurethanformkörpers aufgebracht. Auf diesen Film wird eine Schicht eines faserverstärkten Kunstharzes mit einem Faseranteil von 25 bis 40% nach bekannten Laminierverfahren aufgebracht.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Zeichnung 1 in Form eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Dabei zeigt
1 ein seitlich aufgeschnittenes Karosserieteil mit Lüftungsschlitzen.
Das Formteil zeigt auf der rechten Seite den Schichtaufbau des Formteiles in einer Schnittdarstellung. Dabei besteht die dem Betrachter zugewandte Seite aus einem nicht expandiertem Polyurethansystem 1, das auf seiner Rückseite mit einer Schicht 3 aus glasfaserverstärktem Polyester kaschiert ist. Die beide Seiten verbindende Schicht 2 ist zur besseren Sichtbarkeit halber verstärkt dargestellt. In der Realität ist diese Schicht als Grenzschicht ausgebildet, in der Isocyanatketten in beide Substanzen so eingebunden sind, dass die Verbindung beider Schichten nicht nur durch Adhäsionskräfte, sondern auch durch molekulare Bindungskräfte entsteht. Ein derartiges Formteil wird hergestellt, indem in einer großflächigen Kunststoffnegativform eine hochreaktive Polyurethan-Polyurea-Mischung eingespritzt wird. Diese Mischung ist so eingestellt, dass sie innerhalb von wenigen Sekunden soweit aushärtet, dass der erzeugte Formkörper weder abtropft noch verläuft. Auf den Polyurethanformkörper, der noch in der Kunststoffnegativform verbleibt, wird anschließend als Kupplungsschicht ein Covernetzer, vorzugsweise ein prepolymeres Isocyanat dünn aufgespritzt. Als nächster Schritt wird das Polyesterharz zusammen mit den geschnittenen Glasfasern aufgespritzt. Das Polyurethanformteil ist in diesem Stadium noch nicht vollständig ausgehärtet. Die dünne Kupplungsschicht zwischen Polyurethan und dem aufgespritzten glasfaserverstärkten Kunststoff kann so seine Wirkung als Vernetzer am Besten entfalten. Für die Verbindung an sich ist nicht entscheidend, dass das Polyurethan nicht vollständig ausgehärtet ist. Durch die Kupplungsschicht wird sowohl chemisch, als auch physisch eine wesentlich bessere Haftung beider Materialien erreicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional geformten Schichtkörpers mit mindestens je einer aus einem Polyurethanformteil bestehenden ersten Schicht und einer aus glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildeten zweiten Schicht, wobei beide Schichten durch eine Zwischenschicht verbunden sind, die aus einem Monomeren gebildet wird, das reaktive Gruppen enthält, die zum Einen mit den ungebundenen Endgruppen der PU-Harze und zum Anderen mit den Monomeren der glasfaserverstärkten zweiten Kunstharzschicht reagieren, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Negativform eine Schicht eines hochreaktiven strukturellen Gemisches aus aromatischen oder aliphatischen Isocyanat und einem Polyolgemisch eingespritzt wird und, dass nachdem die Polymerisation zu 80 bis 99% abgelaufen ist, ein Film aus einer Lösung von prepolymerem Isocyanat in Lösungsmittel mit einem Isocyanatanteil von 10 bis 50% auf die der Form abgewandten Seite des entstandenen Polyurethanformkörpers aufgebracht wird und, dass auf diesen Film eine Schicht eines glasfaserverstärkten Kunstharzes mit einem Glasfaseranteil von 25 bis 40% nach bekannten Laminierverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isocyanatanteil vorzugsweise 15 bis 25% beträgt.