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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug bzw. Formteilen aus flächenförmigen Fasergebilden und Bindemitteln, das so erhältliche Halbzeug und daraus hergestellte Formteile. Erfindungsgemäße Formteile finden insbesondere Verwendung im Fahrzeugbau, vor allem im Automobilbau.
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Aus der
DE 10 2004 016 646 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus flächenförmigen Fasergebilden und Bindemitteln bekannt. Im Rahmen dieses Verfahrens behandelt man zunächst ein flächenförmiges Fasergebilde mit einem wässrigen Bindemittel. Nachfolgend wird die Oberfläche des so behandelten Fasergebildes ein- oder beidseitig mit einem härtbaren Bindemittel beschichtet und das beschichtete Fasergebilde auf einen Restfeuchtegehalt von 4 bis 30 Gew.-% zu einem Halbzeug getrocknet. Aus dem so erhaltenen lagerfähigen Halbzeug können Formkörper hergestellt werden, indem das Halbzeug bei einer Temperatur thermogeformt wird, die oberhalb der Temperatur liegt, bei der die Bindemittel vernetzen. Die so erhaltenen Formkörper weisen eine hohe mechanische Festigkeit auf und können vorteilhaft als Innenteile von Kraftfahrzeugen, als Verpackungsmaterial, als Einweggeschirr, als Zubehör für Bürobedarf, als Tabletts, als Dekorteile in der Möbelindustrie sowie als Einsätze für Schränke, Schubladen und Rückwände von Möbeln verwendet werden. Nachteilig an den erhaltenen Formkörpern ist jedoch, dass sie nur geringe akustische Dämm- bzw. Dämpfungswerte erzielen. Eine Verwendung der erhaltenen Formteile als akustisch wirksame Bauteile ist daher nicht oder nur eingeschränkt möglich. Aus den Schriften
DE 10 2008 038 943 A1 ,
US 2009/0 169 858 A1 und
EP 0 647 182 B1 sind weitere Halbzeuge bzw. Formteile bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein thermogeformtes Formteil mit verbesserter akustischer Performance anzugeben. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbzeug zur Herstellung derartiger Formteile anzugeben, sowie Verfahren, die zur Herstellung eines solchen Halbzeugs bzw. solcher Formteile geeignet sind.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Formteil gemäß Anspruch 8, ein Halbzeug gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 13.
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Ein erfindungsgemäßes Formteil kann auf an sich bekannte Weise unter Anwendung von Druck und erhöhten Temperaturen aus dem erfindungsgemäßen Halbzeug thermogeformt werden.
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Das erfindungsgemäße Halbzeug stellt ein flächenförmiges Ausgangsmaterial für einen Thermoformprozess dar. Es umfasst zumindest einen Kern aus einer mattenförmigen Lage aus faserigen Materialien, vorzugsweise aus heterogenen Fasermischungen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung können heterogene Fasermischungen im Hinblick auf die Faserlängen und/oder auf die Fasermaterialien heterogen sein. Im gebrauchsfertigen erfindungsgemäßen Halbzeug beträgt die Dicke der mattenförmigen Lage typisch zwischen 5 und 25 mm, bevorzugt liegt sie zwischen 15 und 23 mm. Die mattenförmige Lage hat beispielsweise ein Flächengewicht von 80 bis 5000 g/m2, vorzugsweise von 500 bis 2000 g/m2. Meistens beträgt das Flächengewicht der mattenförmigen Lage 800 bis 1600 g/m2.
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Wie im Stand der Technik üblich ist ein thermisch aushärtbares Bindemittel in die mattenförmige Lage eingebracht, welches beim Thermoformen thermisch ausgehärtet wird. Im Halbzeug liegt das Bindemittel daher in nicht ausgehärteter Form vor, im fertigen Formteil hingegen in ausgehärteter Form.
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Faserige Materialien sind Verbunde aus einzelnen Fasern, d. h. aus im Verhältnis zur Länge dünnen und flexiblen Gebilden, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen können. Die verwendeten Fasern sind beispielsweise ausgewählt aus:
- • Naturfasern, beispielsweise Samenfasern wie Baumwolle und Kapok, Bastfasern wie Bambusfaser, Brennnessel, Fasernessel, Hanffaser, Jute, Leinen und Ramie, Hartfasern wie Holzfasern, Blattfasern wie Sisal und Abacá, Fruchtfasern wie Kokos, Fasern tierischen Ursprungs wie Schurwolle, grobe Tierhaare wie Ziegenhaar, Rinderhaar und Rosshaar (HS),
- • Mineralfasern (Fasern ohne organisch gebundenen Kohlenstoff) wie Asbest und Fasergips,
- • Chemiefasern, beispielsweise zellulosische Fasern wie Viskose, Modal, Lyocell, Cupro, Acetat-Fasern, Triacetat, Cellulon, Gummifasern, Fasern aus synthetischen Polymeren wie Polyestern, z. B. Polyethylenterephthalat (PET), Polyamiden (PA), z. B. Nylon, Perlon, Dederon; Polyimiden (PI); Polyamidimiden (PAI), z. B. Kermel; Polyphenylensulfiden (PPS), z. B. Procon, Torcon, Nexylen etc., Aramid, z. B. Kevlar, Nomex, Twaron; Polyacrylnitril (PAN), z. B. Dralon, Orlon etc., Polytetrafluorethylen (PTFE), z. B. Teflon, Toyoflon, Profilen, Rastex; Polyethylen (PE), z. B. Dyneema, Polypropylen (PP), Polycolon, Polyvinylchlorid (CLF/PVC), Polyurethan (EL) als Elastomer (Elasthan bzw. Spandex), z. B. Lycra und Dorlastan,
- • Industriell erzeugte anorganische Fasern wie Glasfasern (GF), Basaltfasern, Kohlenstofffasern (CF), Metallfasern (MTF), Keramikfasern und Nanotubefasern.
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Erfindungsgemäß werden insbesondere Cellulosefasern, Holzfasern, Baumwoll- oder Kunstfasern verwendet, die beispielsweise durch Textilrecycling erhältlich sind.
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Die Verfestigung von flächenförmigen Fasergebilden wie Faservliesen aus Glasfasern oder Cellulosefasern kann bekanntlich mechanisch durch Vernadelung oder Wasserstrahlverfestigung eines naß- bzw. luft-gelegten bzw. gekrempelten Vlieses erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden derartige Fasergebilde in einer bevorzugten Weiterbildung durch Einarbeitung von Polymerfasern verfestigt, die einen thermoplastischen Anteil aufweisen. Besonders bevorzugt werden sogenannte Bicore-Fasern verwendet, die einen polymeren Kern aufweisen, der bis zu Temperaturen von mindestens 200°C, bevorzugt von mindestens 210°C und besonders bevorzugt von mindestens 220°C mechanisch stabil bleibt, insbesondere sich nicht verflüssigt. Der Kern ist von einem zweiten polymeren Material umgeben, welches thermoplastische Eigenschaften aufweist und sich bei Temperaturen unterhalb von 190°, bevorzugt unterhalb von 180°C und insbesondere unterhalb von 170°C verflüssigt. Durch kurzzeitige Erwärmung über den Schmelzpunkt des zweiten polymeren Materials hinaus kann eine Verklebung der Bicore-Fasern mit dem umgebenden Fasermaterial erzielt werden, wobei die Bicore-Fasern sich aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit des Kerns nicht vollständig auflösen. Nach der Abkühlung des Fasergebildes resultiert hieraus ein mechanischer Zusammenhalt des mattenförmigen Fasermaterials.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs werden die faserigen Materialien mit dem wärmeaushärtbaren Bindemittel behandelt. Diese Behandlung kann durch Bestreichen, Besprühen, Bestäuben, Beflocken, Imprägnieren oder Tränken erfolgen. Je nach Art der verwendeten Fasern, deren Längenverteilung und der Menge an eingesetztem wärmeaushärtbaren Bindemittel entstehen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Formteile mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften wie z. B. Elastizität, Härte, Schlagzähigkeit, Schwerentflammbarkeit, Lösungsmittelbeständigkeit, etc. Wenn eine hohe Durchsetzung der gesamten mattenförmigen Lage mit dem Bindemittel erwünscht ist, so erfolgt die Behandlung der faserigen Materialien durch Tränken oder Imprägnieren mit einer (geschäumten) Lösung Dispersion/Suspension des wärmeaushärtbaren Bindemittels. Soll vorwiegend die Oberfläche der mattenförmigen Lage mit dem wärmeaushärtbaren Bindemittel versehen werden, so wird das wärmeaushärtbare Bindemittel vorzugsweise auf die faserigen Materialien aufgesprüht, aufgestrichen oder aufgestäubt oder aufgeflockt.
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Wird im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Formteil von einem wärmeausgehärteten Bindemittel gesprochen, so bezeichnet dieses das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete wärmeaushärtbare Bindemittel, welches – wenigstens teilweise – einem thermischen Aushärtungsschritt unterzogen wurde.
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Wärmehärtbare Bindemittel, die gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs bzw. der erfindungsgemäßen Formteile eingesetzt werden können, sind Polymere, die beim Erhitzen duroplastisch vernetzen, d. h. über chemische Hauptvalenzbindungen dreidimensional fest vernetzt werden und somit nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können. Vorzugsweise sind die wärmehärtbaren Bindemittel ausgewählt aus Phenolharzen, Harnstoffharzen, Formaldehydharzen, Melaminharzen, Epoxidharzen, Polyacrylaten, Polymethacrylaten, Polyolen und Mischungen dieser.
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Phenolharze sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Kunstharze, die man durch die Synthese von Phenolen mit Aldehyden erhält. Durch eine elektrophile Substitution werden hier bis zu drei Wasserstoff-Atome des Phenol-Moleküls durch jeweils eine -CH2-OH-Gruppe ersetzt. Durch Abspaltung von Wasser kondensieren diese polyfunktionellen Phenol-Derivate zu Vorkondensaten. Je nach gewünschtem Ergebnis werden die Vorkondensate dann mit sauren oder basischen Kondensationsmitteln versetzt. In saurer Umgebung bilden sich aus dem Vorkondensat Phenolalkohole (Methylol), die sich durch Methylenbrücken zu linearen Kettenmolekülen, so genannte Novolake zusammenfügen. Novolake weisen einen sehr hohen Vernetzungsgrad auf, sind aber noch schmelzbar. Zusammen mit Formaldehydspendern wie Hexamethylentetramin härten Novolake bei Temperaturen oberhalb von 120°C zu unschmelzbaren, duroplastischen Massen aus. Mit basischen Kondensationsmitteln bilden sich dagegen zähflüssige Harze mit niedriger Molekülmasse, die Resole. Werden die Vorkondensate unter hohem Druck erhitzt, erhält man unter weiterer Abspaltung von Wasser und Formaldehyd-Molekülen dreidimensionale Molekülnetze.
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Harnstoffharze sind Aminoplaste (Kunststoffe), welche als Kondensationsprodukte aus Harnstoff (bzw. Harnstoffderivaten) und Aldehyden (insbesondere Formaldehyd) hergestellt und chemisch bzw. thermisch ausgehärtet werden können. Die Harnstoff-Formaldehyd-Harze werden kurz als UF-Harze (von engl. urea = Harnstoff) bezeichnet.
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Als Formaldehydharz kommen dabei im Handel erhältliche Produkte zur Anwendung, z. B. die Leime UF, MUF, MUPF und MF; die Kaurit-, Kauresin- und Kauramin-Leime der BASF AG; melaminverstärkte Harnstoff-Formaldehydharze, die Harze L62, L2590 und 1168 der Firma Montedison und das Harz des Typs 2503 der Firma Bakelite. Besonders bevorzugt werden Melaminharze, wie das unter dem Handelsnamen Ukadan MH von der Firma Schill + Seilacher bekannte Melaminharz, oder Phenolharze, wie das unter dem Handelsnamen Bakelite HW 2513 von der Firma Rüttgerswerke vertriebene Phenolharz, verwendet werden.
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Polyacrylate sind polymere Ester der Acrylsäure sowie von Acrylsäurederivaten mit Alkoholen. Die Herstellung erfolgt über radikalische Polymerisation in wässrigen Lösungen, Emulsionen (Emulsionspolymerisation) oder durch Blockpolymerisation mit dem Endprodukt Pulver. Häufig werden die Acrylate als Copolymere eingesetzt, beispielsweise mit Methacrylsäure. Polymethacrylate entstehen durch Polymerisation des monomeren Methacrylsäuremethylesters.
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Als Polyole wird eine Gruppe von organischen Verbindungen bezeichnet, die mehrere Hydroxygruppen (-OH) enthalten (Polyalkohol, mehrwertiger Alkohol). Polyole können sowohl linear (zum Beispiel Sorbit) als auch zyklisch (zum Beispiel Inosit) aufgebaut sein. Die Anzahl der Hydroxygruppen in einer chemischen Verbindung wird durch die Endung angezeigt. Enthält eine organische Verbindung ein, zwei oder drei Hydroxygruppen, so wird die Erfindung -ol, -diol oder -triol angehängt; ab vier und mehr Hydroxygruppen spricht man allgemein von einem Polyol. Die Herstellung von Polyolen, insbesondere für die Kunststoffindustrie, kann sowohl petrochemisch auf der Basis von Mineralöl wie auch oleochemisch auf der Basis von Pflanzenölen erfolgen.
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Weiterhin können detaillierte Informationen über grundsätzlich für die Ausführung der vorliegenden Erfindung geeignete thermisch härtbare Bindemittel für die Verfestigung von Faservliesen den folgenden Druckschriften entnommen werden, die den Stand der Technik wiedergeben und hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Erfindung gemacht werden, nämlich
US 4076917 ,
EP 0445578 B1 ,
EP 0583086 B1 ,
EP 0651088 B1 ,
WO 1997031036 A1 , Seite 4, Zeile 12 bis Seite 12, Zeile 14,
WO 1997031059 A1 , Seite 2, Zeile 22 bis Seite 12, Zeile 5,
WO 1997031060 A1 , Seite 3, Zeile 8 bis Seite 12, Zeile 36,
DE-A-199 49 591 , Seite 3, Zeile 5 bis Seite 7, Zeile 38 sowie die
WO 2001027163 A1 , Seite 5, Zeile 34 bis Seite 22, Zeile 2.
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Außer den Bindemitteln, die vorstehend bereits benannt wurden bzw. in den obengenannten Druckschriften beschrieben sind, kommen als thermisch härtbare Bindemittel sämtliche härtbaren Bindemittel in Betracht, die zur Verfestigung von Faservliesen in der Literatur beschrieben sind und/oder die für diesen Zweck in der Praxis verwendet werden. Beispielhaft genannt seien an dieser Stelle thermisch härtbare Harze auf Basis von Phenol und Formaldehyd, Melamin-Formaldehyd-Harze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Ein- und Zweikomponentensysteme auf Basis von Epoxidharzen oder Polyurethanen, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polyvinylacetate, Styrol-Acrylat-Copolymerisat-Dispersionen, Styrol-Methacrylat-Copolymerisat-Dispersionen, Styrol-Butadien-(Meth)-Acrylsäure-Copolymerisat-Dispersionen sowie Mischungen aus den genannten Dispersionen mit einer Mischung aus einer Polycarbonsäure und einem mehrwertigen Alkohol als Vernetzungskomponente.
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Weitere grundsätzlich geeignete thermisch härtbare Bindemittel basieren auf wässrigen Mischungen von
- • Polycarbonsäuren wie Polyacrylsäure, Polymethacrylsäure, Copolymerisaten aus Acrylsäure und Maleinsäure, Copoylmerisaten aus Methacrylsäure und Maleinsäure, Copolymerisaten aus Ethylen und Malein-säure, Styrol und Maleinsäure, oder Copolymerisaten aus Acrylsäure oder Methacrylsäure und Estern von Acryl- oder Methacrylsäure mit vorzugsweise einwertigen 1 bis 24 C-Atome enthaltenden Alkoholen, wobei die Polycarbonsäuren einen K-Wert von 50 bis 100 (gemessen in nicht neutralisierter Form der Polycarbonsäuren nach H. Fikentscher in Dimethylformamid bei 25°C und einer Polymerkonzentration von 0,1 Gew.-%)
- • mehrwertigen Alkoholen wie Trimethylolpropan, Glycerin, 2-Hydroxymethylbutandiol-1,4 oder Polyvinylalkohol und/oder mehrwertigen Aminen und/oder Alkanolaminen.
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Als Bindemittel setzt man vorzugsweise formaldehydarme oder formaldehydfreie thermisch härtbare Produkte ein. Unter formaldehydarm soll im vorliegenden Zusammenhang verstanden werden, dass die Bindemittel keine wesentlichen Mengen an freiem Formaldehyd enthalten und dass auch beim Trocknen bzw. Härten der mit den Bindemitteln behandelten Materialien keine wesentlichen Mengen an Formaldehyd freigesetzt werden. Im Allgemeinen enthalten solche Bindemittel < 100 ppm Formaldehyd.
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Es hat sich herausgestellt, dass zum Imprägnieren des Kerns mit einer mattenförmigen Lage mit dem Bindemittel besonders geringe Mengen an Lösungsmittel erforderlich sind, wenn das Bindemittel in schaumiger Form vorliegt. Schaumförmige, härtbare Bindemittel sind dadurch zugänglich, dass man beispielsweise eine wässrige, härtbare Bindemittel enthaltende Lösung, die vorzugsweise ein Tensid enthält, nach der Schlagschaummethode schäumt. Man kann jedoch auch ein inertes Gas z. B. Stickstoff oder Kohlendioxid, in einer solchen Lösung unter Druck lösen und das Gemisch anschließend durch eine Düse unter Schäumen entspannen. Die im erfindungsgemäßen Verfahren angewendeten schaumförmigen, härtbaren Bindemittel haben beispielsweise Schaumgewichte von 50 bis 500, vorzugsweise 100 bis 250 g/l. Meistens liegen die Schaumgewichte der härtbaren Bindemittelzubereitungen in dem Bereich von 120 bis 180 g/l.
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Der Festkörperanteil im Imprägnat beträgt typisch 5 bis 15 Gew-%, die beim Imprägnieren der mattenförmigen Lage des Kerns eingesetzte Menge an Imprägnat beträgt typisch 10 bis 200 g/m2.
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Die Bindemittel können gegebenenfalls Zusatzstoffe enthalten, z. B. Hydrophobierungsmittel wie Silixane, Entschäumer, Füllstoffe wie Perlite, Brandschutzmittel wie Aluminiumsilikate, Aluminiumhydroxide, Borate und/oder Phosphate, Stärke oder Farbmittel.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Bindemittel, mit dem die mattenförmige Lage zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs getränkt, imprägniert oder behandelt wird, mit einem im fertigen Formteil thermisch expandierten Füllstoff versetzt ist. Dieser Füllstoff wird in nicht expandierter Form in das Bindemittel eingebracht, bevor die mattenförmige Lage mit dem Bindemittel versehen wird, insbesondere mit diesem imprägniert wird. Beim nachfolgenden Thermoformen der mattenförmigen Lage expandiert der Füllstoff, während das Bindemittel thermisch ausgehärtet wird. Das Aushärten des Bindemittels hat zur Folge, dass der expandierte Füllstoff im Formteil mechanisch fixiert wird. Der Gewichtsanteil des Füllstoffs im gebrauchsfertigen Imprägnat beträgt typisch 0,5 bis 10%, besonders bevorzugt ist ein Gewichtsanteil von 1 bis 4%.
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Zumindest im expandierten Zustand bildet der expandierte Füllstoff bevorzugt gasgefüllte Hohlräume aus, deren charakteristische Abmessungen zwischen 10 und 100 Mikrometern liegen, besonders bevorzugt zwischen 40 und 80 Mikrometern. Alternativ ist es auch möglich, expandierbare Füllstoffe zu verwenden, die im expandierten Zustand eine zumindest um den Faktor 10 verringerte Dichte gegenüber dem ausgehärteten Bindemittel aufweisen, bevorzugt eine um den Faktor 20 verringerte Dichte und besonders bevorzugt eine um den Faktor 30 verringerte Dichte, ohne dass sich zwingend gasgefüllte Hohlräume im vorstehend angegebenen Größenbereich entwickeln müssten. Denkbar ist z. B. die Bildung von Mikroporen in einem Größenbereich unter 10 Mikrometern, insbesondere unter 1 Mikrometer. Die äußeren Abmessungen der expandierten Füllstoffpartikel sollen aber ebenfalls im Bereich zwischen 10 und 100 Mikrometern liegen, besonders bevorzugt zwischen 40 und 80 Mikrometern.
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Als erfindungsgemäß geeignete Füllstoffe haben sich gasgefüllte Hohlpartikel erwiesen, deren Wände aus einem thermisch erweichenden Kunststoff, insbesondere einem Thermoplasten wie Polyethylen, bestehen. Beim Erwärmen erweichen die Partikelwände und das Füllgas dehnt sich aus, wodurch die Partikel expandiert werden. Geeignete Füllstoffe zeigen eine bis zu 100fache Vergrößerung ihres Volumens während ihrer thermischen Expansion. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden thermisch expandierbare Füllstoffe bevorzugt, die eine zumindest 10fache, bevorzugt zumindest 20fache und besonders bevorzugt zumindest 30fache Volumenvergrößerung bei ihrer thermischen Expansion zeigen. Die zur thermischen Expansion erforderliche Temperatur liegt dabei in der Regel über 180°C, bevorzugt liegt sie in dem Temperaturbereich, in dem das verwendete Bindemittel thermisch aushärtet. Insbesondere liegt die Expansionstemperatur über 140°C, besonders bevorzugt über 150°C. Besonders bevorzugt werden thermisch expandierbare Füllstoffe verwendet, die eingebettet in das thermisch aushärtende Bindemittel bis zu Temperaturen von mindestens 190°C, bevorzugt mindestens 200°C und besonders bevorzugt mindestens 210°C sicher thermisch expandieren, ohne zu kollabieren.
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Als besonders geeignete Füllstoffe haben sich gasgefüllte Mikrosphären erwiesen, deren expandierter Durchmesser im fertigen Formteil zwischen 25 und 100 Mikrometern liegt, bevorzugt zwischen 40 und 80 Mikrometern. Typische Durchmesser der nicht expandierten Mikrosphären liegen zwischen 5 und 50 Mikrometern, insbesondere zwischen 10 und 30 Mikrometern. Typische Wandstärken solcher Mikrosphären liegen im nicht expandierten Zustand bei einem bis einigen Mikrometern, insbesondere zwischen 1 und 10 Mikrometern. Im expandierten Zustand kann die Wandstärke der Mikrosphären auf deutlich unter 1 Mikrometer absinken.
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Als Füllgase haben sich beispielsweise Kohlenwasserstoffe als geeignet erwiesen, aber auch die Verwendung von Stickstoff oder anderen, bevorzugt inerten Füllgasen ist möglich.
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Wie vorstehend beschrieben werden das Bindemittel und der expandierbare Füllstoff vor dem Thermoformen auf bzw. in die mattenförmige Lage auf- bzw. eingebracht. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbzeugs wird die so behandelte mattenförmige Lage, die gegebenenfalls auch eingefärbt werden kann, anschließend ggf. getrocknet, bevorzugt auf einen auf einen Restfeuchtegehalt von 4 bis 30, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-%. Dieser Trocknungsschritt wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, bei der die Bindemittel noch nicht gehärtet werden, d. h. die Temperatur liegt unterhalb der Vernetzungstemperatur der Bindemittel. Man erhält in der Regel ein Halbzeug, das flexibel ist. Insbesondere wenn beim Einbringen des Imprägnats ein eingefärbtes Bindemittel eingesetzt wurde, sind die einzelnen Fasern der Warenbahn nicht oder kaum mehr zu erkennen. Die Breite des Halbzeugs kann – in Abhängigkeit von den in der Technik verfügbaren Anlagen – beispielsweise bis zu 12 m betragen. Bewährt haben sich Bahnen mit einer Breite von unter 2,5 m. Die Dicke des Halbzeugs kann in dem Bereich von 1 bis 50, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 mm liegen. Das Halbzeug kann beispielsweise in einzelne Matten geschnitten oder in Form von Rollen gelagert werden.
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Das Halbzeug kann in dem Betrieb, in dem es hergestellt wurde, oder auch nach einem Transport zu einem Hersteller von Fertigteilen an einem anderen Standort zu den erfindungsgemäßen Formkörpern verarbeitet werden. Das Halbzeug wird zu diesem Zweck – in aller Regel unter paralleler oder nach einer vorhergehenden Formgebung z. B. in einer Presse unter Verformen – auf eine Temperatur erhitzt, die oberhalb der Temperatur liegt, bei der das Bindemittel vernetzt. In Abhängigkeit von der Art des Bindemittels und der Dauer des Erhitzens benötigt man für die Herstellung der Formkörper unterschiedliche Temperaturen. Das Halbzeug wird vorzugsweise zur Formgebung und Härtung der Bindemittel in einer Presse auf eine Temperatur in dem Bereich von 100 bis 260°C, vorzugsweise 180 bis 220°C, erhitzt. Die Verweilzeiten der Formteile in der Presse betragen typisch zwischen 20 und 300 Sekunden, bevorzugt zwischen 50 und 240 Sekunden besonders bevorzugt zwischen 60 und 180 Sekunden.
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Beim Thermoformen in der beheizten Presse härtet das Bindemittel aus und fixiert den Kern mit der ggf. verformten mattenförmigen Lage. Der Thermoformprozess wird dabei so geführt, dass im fertigen Formteil Bereiche mit von den expandierten Füllstoffen ausgebildeten Hohlräumen oder Bereichen verringerter Dichte verbleiben. Dies bedeutet nicht, dass es im fertigen Formteil keine Bereiche geben darf, die keine derartigen Hohlräume bzw. Bereiche aufweisen. Vielmehr werden die Formteile bei ihrer Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Regel eine räumlich unterschiedliche Verdichtung erfahren, so dass z. B. umlaufende Randbereiche der Formteile in der Regel praktisch keine Hohlräume oder Bereiche verringerter Dichte mehr einschließen, die auf expandierte Füllstoffe zurückgehen.
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Wesentlich für die akustische Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Formteile ist, dass über einen ausreichenden Anteil der Fläche des flächenhaft ausgedehnten Formteils auf die Füllstoffe zurückgehende Hohlräume bzw. Bereiche verminderter Dichte im Volumen des Formteils verbleiben. Erfindungsgemäß sollte der Flächenanteil der Hohlraum-umfassenden bzw. Dichteverminderten Bereiche des Formteils nicht unter 50% betragen, bevorzugt sollte er zumindest 70% betragen und besonders bevorzugt über 80%.
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Man erhält ausgehärtete, starre Formkörper, die neben duroplastischen Eigenschaften eine hohe akustische Wirksamkeit haben und eine kratzfeste Oberfläche aufweisen. Der Vernetzungsgrad der Bindemittel beträgt meistens > 50%, bevorzugt > 90% Die Formkörper nehmen in Abhängigkeit von den eingesetzten Fasern und den Klimabedingungen unterschiedliche Mengen an Feuchtigkeit auf. Sie haben eine optimale Nass- und Wärmestandfestigkeit. Sie haben beispielsweise eine Dichte von 0,4 bis 1,8 g/cm3, vorzugsweise von 0,45 bis 1,1 g/cm3. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Formkörper haben eine dekorative Oberfläche, so dass sie direkt als Bauteile eingesetzt werden können. So erübrigt sich beispielsweise eine weitere Beschichtung oder Laminierung, wie sie bisher üblich war.
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Formteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind, werden beispielsweise als Innenteile von Kraftfahrzeugen wie Türinnenverkleidungen, Armaturentafeln, Seitenholme und Hutablagen, als Brillenetui, Verpackungsmaterial wie Kisten und Schachteln, im Dekobereich, als Einweggeschirr, Zubehör für Bürobedarf, als Tabletts, als Dekorteile in der Möbelindustrie, sowie für Einsätze von Schränken, Schubladen und Rückwände von Möbeln verwendet. Sie können beispielsweise auch als Innenteile von Schubladen oder für die Trittschalldämmung verwendet werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die erfindungsgemäßen Formteile zumindest auf einer Seite, vorzugsweise auf zwei gegenüberliegenden Seiten, einen Überzug aus einem Vliesstoff auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gesamte Oberfläche des Formteils mit einer Vliesstoffschicht überzogen. Vliesstoffe sind textile Flächengebilde aus einzelnen lose zusammenliegenden Fasern, welche noch nicht miteinander verbunden sind. Die Festigkeit eines Vlieses beruht nur auf der fasereigenen Haftung, kann aber durch Aufarbeitung beeinflusst werden. Damit man das Vlies verarbeiten und benutzen kann, muss es verfestigt werden, wofür verschiedene Methoden angewandt werden können. Erst ein verfestigtes Vlies ist als Vliesstoff zu bezeichnen.
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Im Zusammenhang mit der hier beschriebenen bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung bezeichnen die Begriffe Vlies und Vliesstoff jeweils das verfestigte Vlies. Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Formteile können sowohl Wirrfaser-Vliesstoffe als auch faserorientierte Vliesstoffe verwendet werden. Durch gezielte Auswahl der verwendeten Faserarten und deren Ursprung kann der Vliesstoff und damit auch das mit dem Vliesstoff versehene Formteil an die entsprechenden Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Geeignete Vliesstoffe können bestehen aus:
- • mineralischen Fasern, z. B. Glas, Mineralwolle, Basalt;
- • Tierischen Fasern, z. B. Seide, Wolle;
- • pflanzlichen Fasern, z. B. Baumwolle;
- • chemischen Fasern aus natürlichen Polymeren, z. B. Cellulose;
- • chemischen Fasern aus synthetischen Polymeren wie Polyamid, z. B. PA 6.6 – Markenbezeichnung Nylon®, PA 6.0 – Markenbezeichnung Perlon®; Polyester wie z. B. PET (Polyethylenterephthalat) und PBT (Polybutylenterephthalat); PVC (Polyvinylchlorid); PP (Polypropylen); PE (Polyethylen); PPS (Polyphenylensulfid); PAN (Polyacrylnitril); PI (Polyimid); PTFE (Polytetraflourethylen, Teflon®); Aramide, wie z. B. meta-Aramid, Markenbezeichnung z. B. Nomex®, para-Aramid, Markenbezeichnung z. B. Kevlar®; Polyamidimid (Kermel), z. B. MF; Melaminharzfaser.
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Im Zusammenhang mit der hier beschriebenen bevorzugten Weiterbildung des Halbzeugs hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Vliesstoff bereits im Halbzeug mit dem Kern mit einem thermoplastischen Hot-Melt-Klebepulver zumindest punktuell, bevorzugt aber flächig verbunden. Als Hot-Melt-Klebepulver werden bei Raumtemperatur rieselfähige Polymermischungen umfassend:
- • nichtvernetzende thermoplastische Füllkörper, z. B. polyolefine Hotmelts wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) Co-Polyester, Co-Polyamide oder Co-Polyurethane, und
- • duroplastisch vernetzende Komponenten, wie z. B. Phenolharze, Melaminharze und Epoxidharze verwendet.
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Das Hot-Melt-Klebepulver dient einerseits dazu, das Vlies mit dem Kern dauerhaft zu verbinden, und andererseits dazu, das Vlies selbst duroplastisch zu verstärken.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches zur Herstellung des vorstehend beschriebenen, einen Vliesstoff umfassenden Halbzeugs bzw. Formteils geeignet ist wird das Hot-Melt-Klebepulver, vorzugsweise das zuvor beschriebene Hot-Melt-Klebepulver, auf das Vlies und/oder auf den mit dem Bindemittel und den Füllkörpern versehenen Kern, vorzugsweise jedoch auf das Vlies aufgestreut. Die aufgebrachte Menge des Hot-Melt-Klebepulvers liegt je nach dessen Zusammensetzung zwischen 10 g/m2 und 200 g/m2, vorzugsweise zwischen 15 g/m2 und 150 g/m2, besonders bevorzugt zwischen 50 g/m2 und 100 g/m2). Wird das Hot-Melt-Klebepulver ausschließlich als Klebeschicht eingesetzt, so genügen Mengen zwischen 15 und 50 g/m2. Sobald jedoch auch eine Verstärkung des Vliesstoffs erwünscht ist, sind höhere Mengen, zwischen 50 und 200 g/m2 aufzubringen.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung wird das Vlies an einen mit Bindemittel und Füllkörpern versehenen Kern angeheftet, z. B. über eine punktuelle (thermische) Verklebung. In einer zweiten Ausgestaltung wird das Vlies beim Formpressen der erfindungsgemäßen Formteile auf den Kern auflaminiert. Hierzu wird der mit dem Hot-Melt-Klebepulver bestreute Vliesstoff auf das erfindungsgemäße Halbzeug aufgelegt und anschließend unter Wärmeeinwirkung verpresst. Die Temperatur beim Verpressen ist so zu wählen, dass das Hot-Melt-Klebepulver über seine Schmelztemperatur hinaus erwärmt und in einen fließfähigen Zustand gebracht wird und zugleich eine duoplastische Vernetzung des wärmeaushärtbaren Bindemittels und der duroplastischen Bestandteile des Hot-Melt-Klebepulvers gewährleistet ist. Auch bei dieser Weiterbildung liegen die beim Formpressen angewendeten Temperaturen üblicherweise zwischen 100 und 250°C, vorzugsweise zwischen 150 und 220°C, besonders bevorzugt zwischen 180 und 210°C. Wiederum liegen die Verweilzeiten in der Presse typisch zwischen 20 und 300 Sekunden, bevorzugt zwischen 50 und 240 Sekunden besonders bevorzugt zwischen 60 und 180 Sekunden.
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In beiden Ausgestaltungen kann zur Kontrolle der Vollständigkeit der Verklebung des auf das fertige Formteil auflaminierten Vliesstoffs und/oder für einen einfachen Nachweis, dass es sich bei einem Formteil um ein erfindungsgemäßes Teil handelt, kann dem Hot-Melt-Klebepulver ein Fluoreszenzmarker beigemischt werden. Geeignete Fluoreszenzmarker sind im Stand der Technik beschrieben.
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Die hier beschriebenen erfindungsgemäßen vliesbeschichteten, akustisch wirksamen Formteile finden üblicherweise Verwendung als Verkleidungen oder thermischen oder akustischen Dämm- und Isolationsmaterialien. Sie können daher insbesondere zur Verkleidung von Maschinenräumen, Industrieanlagen, Motor- oder Innenräumen von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen verwendet werden. Besonders bevorzugt werden die erfindungsgemäßen vliesbeschichteten Formteile als Absorberteile in Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie auf die Beispiele zu beschränken. Die einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele können im Rahmen des technisch sinnvollen beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs bzw. eines erfindungsgemäßen Formteils weist folgenden Verfahrensablauf auf:
Ausgangsmaterial ist ein mattenförmiger Faserverbund aus einer langfaserigen Naturfaser, bevorzugt aus Hanf, Flachs oder Kenaf, der eine Dicke von etwa 17 mm und ein Flächengewicht von ca. 1.000 g/m2 aufweist. Als besonders geeignet hat sich das von der Fa. J. H. Ziegler GmbH, 77855 Achern-Oberachern, unter dem Handelsnamen Hacoloft®-N vertrieben wird. Experimentell verifiziert ist ein Dickenbereich von 5 bis 25 mm, wobei ein Bereich von 15 bis 23 mm bevorzugt ist. Typische Flächengewichte im verifizierten Dickenbereich liegen zwischen 500 und 2.000 g/m2.
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Der als Rollenware angelieferte Faserverbund ist mittels eingearbeiteter polymerer Bindefasern des im allgemeinen Teil erläuterten „Bicore”-Typs mechanisch verfestigt. Der Gewichtsanteil der Bindefasern beträgt im konkreten Ausführungsbeispiel 20%. Experimentell ist ein Anteil an Bindefasern von 10 bis 40% verifiziert, bevorzugt beträgt der Bindefaser-Anteil zwischen 15 und 25%.
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Als Bindemittel kommen Acrylate in einer wässrigen Lösung (Dispersion) zum Einsatz, wobei der Wasseranteil typisch etwa 50 bis 90 Gewichts-% der Dispersion ausmacht. Der Bindemittel-haltigen Dispersion werden weitere Funktionschemikalien, nämlich zumindest ein brandhemmendes bzw. Flammschutzmittel, ein oder mehrere Farbstoffe, optische Aufheller sowie optische Markierungsstoffe, beigemischt. Weiterhin können Funktionschemikalien zur hydrophoben bzw. oleophoben Ausrüstung des Halbzeugs beigefügt werden. Die Gesamtheit dieser Zusätze bewegt sich etwa in einem Gewichtsverhältnis von 1 bis 3% zum Gesamtgewicht des Bindemittels. Beispielhaft seien hier Zusätze unter den Handelsnamen Evoral G 20 von der Firma Schill + Seilacher oder Strahn V 4181 von der Firma Weserland genannt. Schließlich wird die Dispersion vorzugsweise mit einem schaumbildenden Zusatz versehen, nämlich beispielsweise Diphasol HP von der Firma Ciba-Geigy. Der Gewichtsanteil des Schaumbildners in der Dispersion beträgt unter 5%, typisch liegt er bei etwa 2%. Dann wird die Dispersion mittels eines Treibmittels und durch mechanisches Aufschlagen aufgeschäumt. Im aufgeschäumten Zustand beträgt die Dichte des Schaums typisch zwischen 100 und 250 kg/m3, bevorzugt zwischen 140–170 kg/m3.
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Die aufgeschäumte Dispersion wird einem Mischkopf zugeführt, dem weiterhin ein nicht expandierter Füllstoff in aufgeschlämmter Form („Slurry”) zugeführt wird. Der Füllstoff besteht aus gasgefüllten Hohlkugeln, deren Wandung aus einem thermoplastischen Polymer besteht. Die Wandstärke beträgt unter 5 Mikrometer, typisch liegt sie zwischen einem und zwei Mikrometern. Der Durchmesser der nicht expandierten Hohlkugeln beträgt typisch unter 10 Mikrometer. Der Schmelzpunkt des thermoplastischen Polymers liegt typisch zwischen 140 und 190°C, bevorzugt liegt er bei etwa 160°C. Als Füllgas wird ein gasförmiger Kohlenwasserstoff verwendet. Im Mischkopf wird die aufgeschäumte Dispersion homogen mit dem Füllstoff vermischt. Das so gewonnene gebrauchsfertige Imprägnat, welches nunmehr einen Feststoffanteil von 5 bis 15% aufweist, wobei der Gewichtsanteil des Füllstoffs am Gesamtgewicht des Imprägnats typisch zwischen 1 und 2% beträgt, wird dann einer Imprägnierstation zugeführt.
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In dieser Imprägnierstation wird der mattenförmige Faserverbund einem Walzenspalt zugeführt, der aus zwei sich gegensinnig drehenden Walzen gebildet ist. Es sind Leitrollen und Führungen für den Faserverbund-Rohling vorgesehen. Der Walzenspalt ist wesentlich kleiner als die Dicke d des Rohlings. In den Walzenspalt wird das Imprägnat eingegeben, das aus Zuführleitungen zugeführt wird. Durch die Drehung der Walzen wird das aus den Zuführleitungen austretende Imprägnat dem Rohling und dem Walzenspalt zugeführt. Überschussmengen werden mittels einer Aufnahmeform aufgefangen. Hinter den Walzenspalt stellt sich der Faserverbund wieder auf seine ursprüngliche Dicke zurück. Die eingebrachte Menge an Imprägnat beträgt typisch zwischen 10 und 200g/m2.
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In einer bevorzugten Weiterbildung laufen dann seitlich Deckvliese ein, die jedoch nicht notwendig vorgesehen zu sein brauchen. Diese werden durch gleichfalls sich gegensinnig drehende Walzen auf die breitflächigen Oberflächen des imprägnierten Faserverbunds aufgebracht.
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Der immer noch bandförmige imprägnierte mattenförmige Faserverbund wird dann in einem Ofen unterhalb einer Temperatur, bei welcher das Bindemittel auszuhärten beginnt, getrocknet. Bevorzugt wird eine Trocknungstemperatur von unter 140°C, bevorzugt von unter 130°C gewählt. Besonders bewährt hat sich eine Trocknung bei etwa 130°C über einen Zeitraum von 20 bis 60 Sekunden, wobei bereits mit 30 Sekunden Verweilzeit im Ofen sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Die hohe Trocknungstemperatur ist auch vorteilhaft zur Aktivierung der zugesetzten oleophilen Mittel. Im getrockneten Zustand kann das so gewonnene Halbzeug aufgerollt oder in Plattenform zugeschnitten und zwischengelagert werden.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Formteile erfolgt dann auf Basis von Zuschnitten des vorstehend beschriebenen Halbzeugs. In einer beheizten Pressform werden die imprägnierten, getrockneten Faserverbund-Zuschnitte zu Formteilen verpresst. Bei typischen Anwendungsbeispielen ist ein stark komprimierter Randbereich vorgesehen und eine konturierte Oberfläche. Hierzu wird der so hergestellte imprägnierte Faserverbund abschnittweise in die beheizte Form einer Formpresse eingelegt. Die Formpresse weist einen oberen und einen unteren Pressentisch auf, die beide beheizt sind. Auf den Pressentischen sind die unteren und die oberen Werkzeughälften befestigt, die ihrerseits auch beheizt sein können. Durch Regelung der Heizleistung kann die Oberflächentemperatur der die Kavität begrenzenden innenliegenden Oberflächen der Werkzeughälften auf 150 bis 250°C eingestellt werden.
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Das Verprägen, das heißt das in der Presse formgebende Verformen, erfolgt bei einer Temperatur von etwa 200 bis 210°C. Die Prägezeit beläuft sich bei einer Imprägnierung mit einem Imprägnat in schaumiger Form, d. h. einem Imprägnat mit niedrigem Wasseranteil, auf etwa 30 bis 120 Sekunden. Der niedrige Wasseranteil im Imprägnat macht ein Öffnen des Formwerkzeugs während des Prägevorgangs überflüssig, da keine hohen Mengen an Wasserdampf entweichen müssen. Die Schließdauer wird so gewählt, dass sowohl das Acrylat-basierte Bindemittel im imprägnierten Faserverbund duroplastisch vernetzt als auch die eingebrachten Füllkörper thermisch expandieren, ohne jedoch zu überhitzen, so dass sie kollabieren könnten. Die Füllkörper expandieren in der Presse thermisch bis auf einen Durchmesser von etwa 40 bis 80 Mikrometern, wobei die Wandstärke der Hohlkugeln auf deutlich unter einen Mikrometer absinkt. In den stark komprimierten Bereichen des entstehenden Formteils werden die expandierten Füllkörper so stark komprimiert, dass sie kollabieren. In den dazwischenliegenden Bereichen ist die Kompression des Faserverbunds jedoch weniger stark, so dass dort die expandierten Hohlkugeln in das thermoplastisch aushärtende Bindemittel auf Acrylatbasis integriert werden und sich ein Netzwerk aus duroplastisch verstärkten Naturfasern mit eingebauten expandierten Hohlkugeln ergibt.
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Nach Erreichen des gewünschten Vernetzungsgrads > 50%, bevorzugt 90 oder darüber wird die Presse erneut geöffnet, das entstandene Formteil entnommen und der nächsten Bearbeitungsstation zugeführt. Hierbei kühlt das Formteil von der Pressentemperatur auf Zimmertemperatur ab.
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Soweit sich je nach Anteil oder Aktivität des Bindemittels ein Kleben des verprägten Materialverbunds am Werkzeug einstellt, ist auch eine Verprägung unter Verwendung eines PES-Nadeldeckvlieses bevorzugt vorgesehen, welches – wie vorstehend beschrieben nach der Imprägnierstation ober- und unterseitig auf den imprägnierten Faserverbund aufgebracht werden kann. Dieses Nadeleckvlies dient zur Aufwertung der Oberfläche und auch zu einer höheren mechanischen Oberflächenqualität. Das Nadeldeckvlies haftet unter Umständen allein schon über das Bindemittel, das aus dem Faserverbund austritt. Zusätzlich kann das Nadelvlies aber auch mit einem Haftvermittler versehen werden, z. B. einem Hot-Melt-Klebepulver.
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Bei dem auf die beschriebene Weise hergestellten Formteil kann es sich insbesondere um eine Motorhaubenisolation, eine Getriebe- oder Kardantunnelisolation, eine Ölwannenisolation oder eine Stirnwand für ein Kfz handeln. Aufgrund der in das Formteil eingebetteten gasgefüllten Hohlräume weisen die Formteile gegenüber den aus dem Stand der Technik vorbekannten Formteilen deutlich verbesserte akustische Eigenschaften auf, ohne dass das Gewicht oder die mechanische Stabilität nachteilig beeinflusst sind.