-
Hintergrund
-
(a) Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine leichte, verstärkte Kunststoff-Komposit-Zusammensetzung, in der Glasfasern und Kohlenstofffasern als Versteifungsmittel zu einer Harzmischung aus einem synthetisch hergestellten Kunststoffharz, wie beispielsweise Polyamid, und einem Vielzweck-Kunststoffharz, wie beispielsweise Polyalkylen, gegeben werden. Die Komposit-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist ein umweltfreundliches Verbundmaterial, das die Kohlenstoffdioxidemissionen wirksam reduzieren kann und die Kraftstoffeffizienz in Fahrzeugen durch seine Versteifung und Gewichtsreduktion verbessern kann. Die Komposit-Zusammensetzung ist insbesondere für eine Verwendung beim Bilden eines Frontmodulträgers für ein Kraftfahrzeug geeignet.
-
(b) Stand der Technik
-
Seit kurzem unternimmt die Automobilindustrie weltweit Anstrengungen, um umweltfreundliche Fahrzeuge mit einer großen Kraftstoffeffizienz und reduzierten Kohlenstoffdioxid-(CO2-)Emissionen herzustellen. Insbesondere wurde die Forschung dabei auf die Herstellung umweltfreundlicher Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise von Elektroautos, Hybridautos, Wasserstoffautos, Solarautos usw. gerichtet, die alternative Energiequellen verwenden. Der Austausch von Kraftfahrzeugen, die herkömmliche Verbrennungsmotoren verwenden, wird jedoch sowohl zeitintensiv als auch kostenintensiv sein. Auf kurze Sicht unternimmt die Automobilindustrie daher Versuche, umweltfreundliche Kraftfahrzeuge mit einer verbesserten Kraftstoffeffizienz und reduzierten Kohlenstoffdioxid-(CO2-)Emissionen zu entwickeln, bei denen leichte Materialien verwendet werden, die somit das Gewicht der Kraftfahrzeuge reduzieren.
-
In der Vergangenheit wurden alle Kraftfahrzeugteile in der Montagelinie des Kraftfahrzeugs zusammengesetzt. Derzeit werden weitestgehend modulare Teile verwendet, um den Zusammenbau zu erleichtern. Insbesondere werden verschiedene Teile durch Vertragspartner als Module vormontiert und die Endfertigung erfolgt dann unter Verwenden dieser Module in der Montagelinie des Kraftfahrzeugs. Dies spart sowohl Zeit als auch Kosten. Beispiele für solche Module schließen ein Modul für die Türen, ein Modul für die Verkleidung des Kopfbereichs, ein Modul für das Cockpit und einen Frontmodulträger ein, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.
-
Der Frontmodulträger umfasst die vorderen Teile eines Fahrzeugs, die üblicherweise einen Träger, einen Zwischenkühler, eine Hupe, einen Lüfter, die Vorderlampen und dergleichen einschließen. Diese Bestandteile werden unter Bilden des Frontmodulträgers zusammenmontiert. Die bekannten Frontmodulträger können unterteilt werden in einen Kunststoff-Typen, der nur aus Kunststoff gebildet ist, und einen Hybrid-Typen, in den ein Stahlblech eingefügt ist. Obwohl ein Frontmodulträger des Kunststoff-Typs leicht ist und leicht spritzgegossen werden kann, reichen seine Steifigkeit und Haltbarkeit nicht aus, insbesondere nicht im Vergleich zu dem Frontmodulträger des Hybrid-Typs. Der Frontmodulträger des Kunststoff-Typs zeigt zum Beispiel ein schwaches Verhalten bei einer Kollision und kann leicht verformt werden, wenn er an schweren Gegenständen befestigt wird. Obwohl ein Frontmodulträger des Hybrid-Typs im Vergleich zu dem Frontmodulträger des Kunststoff-Typs eine bessere Steifigkeit und eine bessere Haltbarkeit aufweist, ist er andererseits aufgrund des Gewichts des Stahlblechs schwer. Aus diesem Grund wird ein Frontmodulträger des Kunststoff-Typs vorwiegend bei kleinen Fahrzeugen eingesetzt, während ein Frontmodulträger des Hybrid-Typs allgemein bei mittelgroßen bis großen Fahrzeugen zum Einsatz kommt.
-
Das
koreanische Patent Nr. 1,013,858 beschreibt einen thermoplastischen Kunststoff-Verbund für einen Frontmodulträger des Hybrid-Typs. Die thermoplastische Kunststoff-Komposit-Mischung umfasst ein Harz, das ausgewählt ist aus cyclischem Butylenterephthalat und Caprolactam, und einen oder mehrere Katalysatoren, die ausgewählt sind aus Butylzinnchloriddihydroxid, Titanat und Distannoxan, die auf eine oder mehrere Fasermatten, die ausgewählt sind aus Glasfasern und Kohlenstofffasern, aufgetragen werden. Der thermoplastische Kunststoff-Verbund wird anstelle des Stahlblechs dazu verwendet, das Gewicht zu reduzieren und senkt daher die Kohlenstoffdioxidemissionen und verbessert die Kraftstoffeffizienz.
-
Das
koreanische Patent Nr. 921052 beschreibt eine Polyamid-Harzzusammensetzung für eine Kraftstofftankklappe eines Fahrzeugs mit verbesserter Schlagbeständigkeit und einer verbesserten Beständigkeit gegen Alkohole. Es wird eine Mischung aus einem auf Maleinsäure oder Glycidyl basierten, reaktiven Kompatibilisierungsmittel, einem Olefin-basierten Schlagfestigkeits-Modifizierungsmittel, einem Imin-basierten Hydrolyse-Stabilisator, einem Amin- oder Phosphit-basierten Antioxidationsmittel, einem Phenol-basierten Wärmestabilisator und einem Olefin-basierten Schmiermittel zu einer Harz-Mischung aus einem Polyamidharz und einem hochdichten Polyethylenharz gegeben.
-
Die
japanische Patentveröffentlichung-Nr. S63-0305148 beschreibt eine durch Glasfasern verstärkte Polyamid-Zusammensetzung, bei der Glasfasern zu einer Mischung, die Polyamid, modifiziertes Polyolefin und ein Propylen-Homopolymer oder -Copolymer enthält, gegeben werden.
-
Es besteht jedoch noch immer der Bedarf nach weiteren Verbesserungen dieser Zusammensetzungen. Zum Beispiel leidet eine verstärkte Harzzusammensetzung, die ein Polyamidharz (das bekanntermaßen eine überragende Wärmebeständigkeit, eine überragende chemische Beständigkeit usw. aufweist) als Basisharz und Glasfasern als Versteifungsmittel umfasst, aufgrund der Absorption von Feuchtigkeit an einer verringerten Formstabilität. Ferner sind diese Materialien immer noch zu schwer und/oder nicht steif genug.
-
Zusammenfassung
-
Die vorliegende Erfindung stellt eine neuartige, verstärkte Kunststoff-Komposit-Zusammensetzung bereit, die sowohl steif als auch leicht ist. Die vorliegende Zusammensetzung ist insbesondere zum Bilden eines Frontmodulträgers für ein Kraftfahrzeug geeignet. Es soll jedoch verstanden werden, dass die Verwendung der Zusammensetzung als solches nicht beschränkt ist, sondern die Zusammensetzung vielmehr auch zum Bilden anderer Fahrzeugteile verwendet werden könnte, für die zum Beispiel ein steifes und leichtes Material von Nutzen/Vorteil ist.
-
In einem allgemeinen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine leichte, verstärkte Kunststoff-Komposit-Harzzusammensetzung für einen Frontmodulträger bereit, welche umfasst: eines oder mehrere synthetisch hergestellte Kunststoffharze, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Polyamid, Polyalkylenterephthalat und Polyketon; eines oder mehrere Vielzweck-Kunststoffharze, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Acrylnitrilbutadienstyrol, Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polyalkylen; Glasfasern; und Kohlenstofffasern.
-
Die vorstehend angegebenen und weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind nachstehend beschrieben.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Im Folgenden wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, die beispielhaft in den beigefügten Figuren veranschaulicht und nachfolgend beschrieben sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, soll verstanden werden, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf die beispielhaft angegebenen Ausführungsformen einschränken soll. Vielmehr soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen abdecken, die im Geiste und Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, enthalten sein können.
-
Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein weiterer ähnlicher Begriff, wie er hierin verwendet wird, Motorfahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Reihe von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, umsteckbare Hybrid-Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit anderen alternativen Brennstoffen betrieben werden (z. B. Brennstoffen, die aus anderen Quellen als Erdöl stammen), einschließt. Wie es hierin verwendet wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Antriebsquellen verfügt, zum Beispiel ein Fahrzeug, das sowohl mit Benzin als auch mit Strom betrieben wird.
-
Soweit dies nicht ausdrücklich angegeben ist oder aus dem Zusammenhang ersichtlich ist, soll der Begriff „etwa”, wie er hierin verwendet wird, so verstanden werden, dass er Werte mit einem in der Wissenschaft üblichen Bereich einer normalen Toleranz einschließt, zum Beispiel Werte, die innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert liegen. Etwa kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%. 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts. Soweit die nicht klar aus dem Zusammenhang ersichtlich ist, gelten alle hierin angegebenen Werte als um den Begriff etwa erweitert.
-
Die vorliegende Erfindung stellt eine verstärkte Kunststoff-Komposit-Harzzusammensetzung bereit, die für einen Frontmodulträger geeignet ist und die ein synthetisch hergestelltes Kunststoffharz, ein Vielzweck-Kunststoffharz, Glasfasern und Kohlenstofffasern enthält. Derartige Zusammensetzungen, in denen sowohl Glasfasern als auch Kunststofffasern zu einer Harzmischung aus einem synthetisch hergestellten Kunststoffharz und einem Vielzweck-Kunststoffharz gegeben werden, stellen eine Reihe von Vorteilen, einschließlich eines verringerten Gewichts, sowie verbesserte physikalische Eigenschaften bereit.
-
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Mischung aus einem synthetisch hergestellten Kunststoffharz und einem Vielzweck-Kunststoffharz als Basisharz verwendet und Glasfasern und Kohlenstofffasern werden zusammen als Versteifungsmittel verwendet. Insbesondere wird das Vielzweck-Kunststoffharz zu dem synthetisch hergestellten Kunststoffharz gegeben und die Kombination wird als Basisharz zur Verringerung des Gewichts und zur Vermeidung oder Minimierung einer Abnahme der Formstabilität aufgrund der Absorption von Feuchtigkeit verwendet. Die vorliegenden Zusammensetzungen enthalten ferner sowohl Glasfasern als auch Kohlenstofffasern als Versteifungsmittel, wodurch das Gewicht weiter verringert und die Festigkeit weiter verbessert wird.
-
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das synthetisch hergestellte Kunststoffharz eines oder mehrere sein, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Polyamid (das zum Beispiel Polyamid 6, Polyamid 66, Polyamid 11, Polyamid 12, Polyamid 46, Polyamid 610 usw. umfassen kann), Polyalkylenterephthalat (das zum Beispiel Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT) usw. einschließen kann) und Polyketon. In beispielhaften Ausführungsformen kann das synthetisch hergestellte Harz in einer Menge von etwa 10–70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komposit-Harz-Zusammensetzung, vorgesehen sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Komposit-Harz-Zusammensetzung eine beliebige Menge des synthetisch hergestellten Kunststoffharzes, in einem Bereich von wenigstens etwa 10 Gew.-% (z. B. wenigstens etwa 15 Gew.-%, etwa 20 Gew.-%, etwa 25 Gew.-%, etwa 30 Gew.-% usw.) bis zu etwa 70 Gew.-% (z. B. bis zu etwa 65 Gew.-%, etwa 60 Gew.-%, etwa 55 Gew.-%, etwa 50 Gew.-% usw.), enthalten.
-
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Vielzweck-Kunststoffharz eines oder mehrere sein, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polyalkylen, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen usw. In einer beispielhaften Ausführungsform wird Polyalkylen, das ein Vielzweck-Kunststoffharz mit einer überragenden Wärmebeständigkeit und einer überragenden Schlagbeständigkeit ist, verwendet. In Ausführungsformen, in denen Polypropylen, das leicht ist und eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit besitzt, verwendet wird, können gleichzeitig sowohl eine verbesserte Schlagbeständigkeit als auch eine Verringerung des Gewichts bereitgestellt werden. In beispielhaften Ausführungsformen kann das Vielzweck-Kunststoffharz in einer Menge von etwa 5–70 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komposit-Harz-Zusammensetzung, vorgesehen sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Komposit-Harz-Zusammensetzung eine beliebige Menge des Vielzweck-Kunststoffharzes, in einem Bereich von wenigstens etwa 5 Gew.-% (z. B. wenigstens etwa 10 Gew.-%, etwa 15 Gew.-%, etwa 20 Gew.-%, etwa 25 Gew.-% usw.) bis zu etwa 70 Gew.-% (z. B. bis zu etwa 65 Gew.-%, etwa 60 Gew.-%, etwa 55 Gew.-%, etwa 50 Gew.-% usw.), enthalten.
-
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden etwa 5–30 Gew.-% Glasfasern und etwa 5–30 Gew.-% Kohlenstofffasern gemeinsam als Versteifungsmittel verwendet, wobei sich die Gew.-% auf das Gesamtgewicht der Komposit-Harz-Zusammensetzung beziehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Komposit-Harz-Zusammensetzung eine beliebige Menge an Glasfasern oder Kohlenstofffasern, in einem Bereich von wenigstens etwa 5 Gew.-% (z. B. wenigstens etwa 8 Gew.-%, etwa 10 Gew.-%, etwa 12 Gew.-%, etwa 14 Gew.-% usw.) bis zu etwa 30 Gew.-% (z. B. bis zu etwa 28 Gew.-%, etwa 26 Gew.-%, etwa 24 Gew.-%, etwa 22 Gew.-%, etwa 20 Gew.-% usw.), enthalten. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Komposit-Harz-Zusammensetzung etwa 10–20 Gew.-% Glasfasern und 10–20 Gew.-% Kohlenstofffasern.
-
Die Kohlenstofffasern weisen bekanntermaßen eine Festigkeit von 10–20 g/d, ein spezifisches Gewicht von 1,5–2,1 sowie eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, eine ausgezeichnete Schlagbeständigkeit und eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit auf. Ferner sind die Kohlenstofffasern leichter als Aluminiummetall und weisen im Vergleich zu einem Eisenmetall eine überragende Elastizität und eine überragende Festigkeit auf.
-
Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können üblicherweise verwendete Additive enthalten sein, wie beispielsweise Wärmestabilisatoren (Cu/KI) zur Vorbeugung einer Alterung, die während einer Verarbeitung bei heißen Temperaturen bei der Herstellung des verstärkten Kunststoff-Verbunds auftreten kann, Antioxidationsmittel (z. B. Tris(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphit) zum Unterdrücken einer Autooxidation durch Sauerstoff, Haftvermittler (z. B. Aminopropyltriethoxysilan) zum Verbessern des Bindungsvermögens und dergleichen. Die verschiedenen Additive und die verwendeten Mengen können auf Basis der gewünschten Eigenschaften leicht von einem Fachmann bestimmt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die Verarbeitungstemperatur bei etwa 220–280°C legen. Es wurde festgestellt, dass, wenn die Temperatur zu gering ist (z. B. unterhalb von etwa 220°C liegt), das Harz nur teilweise schmilzt, was zu Problemen bei der Verarbeitung führt. Zum anderen kann es, wenn die Temperatur zu hoch ist (z. B. bei oberhalb von etwa 280°C liegt) schwierig sein, den verstärkten Kunststoff aufgrund einer Änderung der Eigenschaften des Polyamids, die generell bei solchen Temperaturen auftritt, herzustellen.
-
Beispiele
-
Im Folgenden werden Beispiele und Versuche beschrieben. Die folgenden Beispiele und Versuche dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der Erfindung in keiner Weise einschränken.
-
Beispiele 1–4 und Vergleichsbeispiele 1–2
-
Die verstärkten Kunststoff-Komposit-Zusammensetzungen für einen Frontmodulträger wurden aus den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen hergestellt. Es wurden verschiedene physikalische Eigenschaften der hergestellten Zusammensetzungen gemessen und diese Eigenschaften sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 1
| | Beispiele (Gew.-%) | Vergleichsbeispiele (Gew.-%) |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 |
| Harz | Polyamid 6 | 64 | 59 | 54 | 49 | 69 | 69 |
| Polypropylen | 5 | 10 | 15 | 20 | 0 | 0 |
| Versteifungsmittel | Glasfasern | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 30 |
| Kohlenstofffasern | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 0 |
| Additive | Wärmestabilisator | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 |
| Antioxidationsmittel | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| Haftvermittler | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 |
| Wärmestabilisator: Cu/KI |
Tabelle 2
| | Beispiele | Vergleichsbeispiele |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 |
| Zugfestigkeit
(kgf/cm2) | 2.080 | 1.970 | 1.890 | 1.820 | 2.120 | 1.800 |
| Schlagfestigkeit
(kgf·cm/cm) | 13 | 13 | 14 | 14 | 10 | 10 |
| Biegefestigkeit
(kgf/cm2) | 2.550 | 2.480 | 2.300 | 2.260 | 2.700 | 2.500 |
| Biegeelastizität
(kgf/cm2) | 128.000 | 121.000 | 119.000 | 112.000 | 133.000 | 85.000 |
| Spezifisches Gewicht | 1,24 | 1,22 | 1,20 | 1,19 | 1,26 | 1,36 |
-
Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, zeigten die Zusammensetzungen aus den Beispielen 1–4, die 10 Gew.-% Glasfasern und 20 Gew.-% Kohlenstofffasern als Versteifungsmittel enthalten, eine verbesserte Zugfestigkeit, eine verbesserte Biegefestigkeit und eine verbesserte Biegeelastizität im Vergleich zu der Zusammensetzung aus Vergleichsbeispiel 2, die 30 Gew.-% Glasfasern als Versteifungsmittel enthält. Ebenso zeigten die Zusammensetzungen aus den Beispielen 1–4, die sowohl das synthetisch hergestellte Kunststoffharz als auch das Vielzweck-Harz enthalten, gegenüber den Zusammensetzungen aus den Vergleichsbeispielen 1–2, die kein Vielzweck-Kunststoffharz enthalten, eine erheblich verbesserte Schlagfestigkeit. Ferner wurde gezeigt, dass die Zusammensetzungen aus den Beispielen 1–4 ein relativ geringeres spezifisches Gewicht als die Zusammensetzungen aus den Vergleichsbeispielen 1–2 zeigten, was bedeutet, dass die Zusammensetzungen leichter sind.
-
Wie anhand der vorstehend angegebenen Ergebnisse gezeigt wird, weist die verstärkte Kunststoff-Komposit-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung, die ein synthetisch hergestelltes Kunststoffharz und ein Vielzweck-Kunststoffharz als Basisharz und ebenso Glasfasern und Kohlenstofffasern als Versteifungsmittel enthält, eine verbesserte Zugfestigkeit, eine verbesserte Schlagfestigkeit, eine verbesserte Biegefestigkeit und eine verbesserte Biegeelastizität sowie ein verringertes Gewicht auf.
-
Wenn sie zum Herstellen von Fahrzeugteilen verwendet wird, kann die verstärkte Kunststoff-Komposit-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Zusammensetzungen zudem eine erhebliche Gewichtsreduktion erreichen, wie beispielsweise eine Reduktion um etwa 10 Gew.-%. Wenn die vorliegende Zusammensetzung zur Herstellung des Frontmoduls des YF-Modells (2009 Hyundai Car Model YF) verwendet wird, kann zum Beispiel eine Gewichtsreduktion um etwa 0,5 kg erreicht werden. Die vorliegende Zusammensetzung zeigte im Vergleich zu den derzeit verwendeten Materialien zudem ein vergleichbares oder verbessertes Leistungsvermögen hinsichtlich der Festigkeit des Schnappers der Motorhaube, die für das Frontmodul erforderlich ist.
-
Die vorliegende Erfindung wurde ausführlich unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen derselben beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch verstehen, dass an diesen Ausführungsformen verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- KR 1013858 [0005]
- KR 921052 [0006]
- JP 63-0305148 [0007]