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Die Erfindung betrifft ein Innenverkleidungsbauteil für ein Kraftfahrzeug aus Polypropylen und biobasierten Polymerfasern. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Innenverkleidungsbauteils.
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In der industriellen Praxis werden Kunststoffe derzeit überwiegend aus petrochemischen Grundstoffen synthetisiert. Seit einigen Jahren werden alternativ auch Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen vorgeschlagen. Das Interesse an diesen neuen Entwicklungen liegt einerseits an einem zunehmenden Umweltbewusstsein, andererseits besteht auch die Hoffnung, Produkte mit vorteilhaften Eigenschaften für spezielle Anwendungen zu erhalten. Auch die Frage der späteren Entsorgung der Kunststoffe und die erneuerbare Rohstoffquelle gewinnen zunehmend an Bedeutung. Als nachwachsende Rohstoffe kommen dabei beispielsweise Kohlenhydrate wie Zucker, Cellulose und Stärke sowie Pflanzenproteine oder Pflanzenöle in Betracht.
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Die ökologischen und ökonomischen Vorteile von naturfaserverstärkten Kunststoffen sind unter anderem die Gründe für das nachhaltige Wachstum dieser Werkstoffgruppe. Anwendungen finden sich beispielsweise dann, wenn herkömmliche gefüllte Polypropylen-Derivate die geforderten Produktanforderungen, beispielsweise die Energieabsorption im Crashfall, nicht ausreichend erfüllen können und die deutlich günstigeren Eigenschaften aber auch höheren Kosten der geeigneteren technischen Thermoplaste die Bauteile zu teuer werden lassen.
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Der ökonomische Aspekt sowie die geringe Dichte, die guten mechanischen und akustischen Eigenschaften, Verarbeitungseigenschaften, das gute Crashmanagement (Zähigkeit, kein Splittern), die günstige Ökobilanz, die gegenüber Glasfasern arbeitsmedizinischen Vorteile und die positiven Effekte für die europäische Landwirtschaft münden in ein kontinuierliches Wachstum des Einsatzes von Naturfaserwerkstoffen in der Automobilindustrie.
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Gezielte Materialentwicklungen auf Grundlage von Polypropylen mit auf Cellulose basierenden Naturfasern wie Flachs, Viskose oder Holzfaserformstoff bieten eine effiziente Alternative zu technischen Kunststoffen. In der Praxis sind spritzgussfähige Cellulosefaser-Polypropylen-Materialien mit einem Faseranteil von etwa 30% bekannt.
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Aus der
DE 697 19 284 T2 ist ein thermoplastisches Gussmaterial bekannt, wie es beispielsweise für Teile von Fahrzeugen verwendet wird. Dabei ist Polypropylen besonders bevorzugt, weil damit ein vergleichsweise leichter Spritzgussartikel produziert werden kann. Das thermoplastische Gussmaterial kann organische Füllstoffe, beispielsweise Zellstoff enthalten. Der Füllstoff kann vorzugsweise in einer Menge von 5 bis 50 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht des Gussmaterials enthalten sein, um die Steifigkeit bei zugleich geringem Gewicht zu verbessern.
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Aus der
DE 697 18 793 T2 ist ebenfalls bereits ein Verbundmaterial aus Polypropylen und Zellstoff bekannt.
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Die
DE 10 2008 046 770 A1 beschreibt bereits ein Verfahren zur Herstellung flachsfasergefüllter Formkörper mittels Spritzgießen, wobei Naturfasern, beispielsweise Cellulosefasern und wenigstens ein Thermoplast, beispielsweise Polypropylen zugegeben werden. Die Naturfaser dient hierbei als kostengünstiger und leichter Füllstoff, um aufgrund der Zusammensetzung eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen.
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Der Zusammenhang der mittleren Faserlänge von Hanffasern und der Kerbschlagzähigkeit bei in einer Polypropylenmatrix eingebetteten Hanffasern ist beispielsweise auch in der
WO 1998/036024 A1 dargestellt.
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In technischen Spritzgießbauteilen, insbesondere in automobilen Anwendungen, müssen eingesetzte Werkstoffe zur Gewährleistung der Verarbeitbarkeit im geschmolzenen Zustand gute Schmelzfließeigenschaften sowie eine hohe Kerbschlagzähigkeit besitzen. Um eine hohe Kerbschlagzähigkeit von faserverstärkten Compounds zu erreichen, müssen die eingesetzten Fasern ein besonders hohes Länge-/Durchmesserverhältnis aufweisen. Als nachteilig hat sich in der Praxis jedoch erwiesen, dass der Einsatz langer Fasern und die dadurch erzielbare hohe Kerbschlagzähigkeit einhergeht mit einer Verschlechterung der Schmelzfließeigenschaften. Dadurch ist die Füllung komplexer Bauteilgeometrien erschwert. Durch den Einsatz kurzer Fasern verringert sich hingegen die gewünschte Werkstofffestigkeit bzw. Zähigkeit.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hohe Kerbschlagzähigkeit von Bauteilen bei zugleich guten Schmelzfließeigenschaften zu realisieren. Weiterhin soll ein zur Herstellung eines solchen Bauteils bestimmtes Verfahren geschaffen werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Innenverkleidungsbauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Innenverkleidungsbauteil überwiegend bestehend aus Polypropylen und biobasierten Polymerfasern vorgesehen, bei dem die biobasierten Polymerfasern gegenüber einer gaußschen Normalverteilung einen erhöhten ersten Anteil von langen Fasern und einen erhöhten zweiten Anteil von kurzen Fasern aufweisen. Bei den biobasierten Polymerfasern handelt es sich insbesondere um holzbasierte Cellulosefasern. Denkbar ist auch die Verwendung von weiteren Naturfasern wie Flachs, Hanf, Jute, Kenaf, Sisal und Raps. Besonders die Verwendung von Raps ist aus ökologischen Aspekten sinnvoll, da Rapsfasern als Abfallprodukt der Landwirtschaft anfallen und nicht eigens für die Verwendung als Verstärkungsfasern angebaut werden müssen. Durch die bimodale bzw. multimodale Faserverteilung werden in überraschend einfacher Weise sowohl hinsichtlich der Zähigkeit als auch hinsichtlich der Schmelzfließfähigkeit optimierte Eigenschaften des so erzeugbaren Werkstoffs realisiert. Durch das Faserfraktionsgemisch werden die Schmelzfließeigenschaften wesentlich weniger beeinträchtigt als dies bei einem nach dem Stand der Technik naheliegenden normalverteilten, also der gaußschen Normalverteilungsfunktion folgenden Fasergemisch bei einer vergleichbaren mittleren Faserlänge der Fall ist. Durch eine ausschließlich hohe Faserlänge wird durch die mechanischen Verschlaufungen der Fasern untereinander zwar eine besonders gute Zähigkeit des Bauteils erreicht, problematisch ist allerdings bei der Werkstoffherstellung die auftretende Brückenbildung in den Dosiereinheiten des Extruders. Diese schränkt den Maschinendurchsatz der Werkstoffherstellung wesentlich ein. Im Spritzgießprozess führen hohe Faserlängen zu einem erhöhten Einspritzdruck, um die Schmelze aus einer Plastifiziereinheit in das Werkzeug zu befördern. Zudem wird der Schmelzfluss durch die mechanischen Verschlaufungen und die gegenseitige Reibung der langen Faser aneinander signifikant vermindert. Besonders die spritzgießtechnischen Verarbeitung zur Herstellung großflächiger Bauteile wird durch eine hohe Faserlänge erschwert. Polymerschmelzen mit kurzen Fasern weisen ein wesentlich besseres Formfüllverhalten auf. Ebenso verfügen darauf hergestellte Bauteile über ein gleichmäßiges Ausdehnungs- und Schwindungsverhalten. Dies führt in einem Bauteil zu weniger Verzug. Bauteile mit ausschließlich kurzen Fasern erreichen allerdings eine nur unzureichende Kerbschlagzähigkeit. Durch die Verwendung von biobasierten Polymerfasern zur Herstellung eines Innenverkleidungsbauteils eines Kraftfahrzeugs, die gegenüber einer gaußschen Normalverteilung einen erhöhten ersten Anteil von langen Fasern und einen erhöhten zweiten Anteil von kurzen Fasern aufweisen, wird ein Bauteil geschaffen, dass neben einem guten Formfüllverhalten auch eine gute Kerbschlagzähigkeit aufweist.
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Vorzugsweise ist dem ersten Anteil von langen Fasern und dem zweiten Anteil von kurzen Fasern entsprechend einer bimodalen oder multimodalen Verteilungsfunktion jeweils ein Maximum zugeordnet. Der erhöhte Anteil langer Fasern führt dabei zu der gewünschten Verbesserung der Zähigkeitsperformance. Ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Stand der Technik ist somit die Nutzung einer Faserfraktion mit einer sehr breiten Verteilungsfunktion, einer bimodalen Verteilung oder einer multimodalen Verteilung der Faserfraktion als Verstärkungskomponente in dem Werkstoff aus Polypropylen und biobasierten Polymerfasern. Die Bauteilfüllung kann auf diese Weise wesentlich optimiert werden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die langen Fasern eine Faserlänge von größer 200 bis 1000 μm und die kurzen Fasern eine Faserlänge von kleiner als 200 μm aufweisen. Dabei hat sich gezeigt, dass die kurzen Fasern im Wesentlichen als Füllmaterial in der Matrix für Polypropylen vorliegen und diese versteifen, ohne jedoch dessen Fließfähigkeit zu stark zu beeinträchtigen, während die langen Fasern die u. a. auch von der Faser-Matrix Haftung abhängige, sogenannte kritische Faserlänge überschreiten, ab der die einwirkende Kraft im Verbundwerkstoff weitgehend oder vollständig von der Faser aufgenommen werden kann. Zudem führt ein reibungsbehaftetes Ausziehen der langen Fasern aus dem Verbund zu einer höheren Energieaufnahme des Bauteils bei einer schlagartigen Beanspruchung.
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Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Variante des Innenbauteils wird dadurch erreicht, dass die langen und/oder die kurzen Fasern eine nicht kreisförmige Querschnittsform aufweisen, insbesondere also beispielsweise ovale Querschnittsformen, um so die Krafteinleitung zu verbessern. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Fasern mit unterschiedlichen Querschnittsformen oder solche Fasern, deren Querschnittsformen entlang ihrer Längsachse variieren und/oder zusätzlich raue Faseroberflächen aufweisen, hinsichtlich der Eignung zur Aufnahme bzw. Übertragung einwirkender Kräfte optimal sind.
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Die biobasierten Polymerfasern könnten unterschiedlichen Ursprungs im Bereich nachwachsender Rohstoffe sein. Besonders Erfolg versprechend haben sich bereits solche biobasierten Polymerfasern erwiesen, die als einen wesentlichen Materialanteil Cellulose aufweisen. Hierdurch werden bei zugleich optimierten Oberflächeneigenschaften des Werkstoffs, beispielsweise ein geringer Glanzgrad, eine erhöhte Kratzfestigkeit sowie ein vermindertes spezifisches Gewicht realisiert.
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Die zweitgenannte Aufgabe, die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Innenbauteils mit einer hohen Kerbschlagzähigkeit bei zugleich guten Schmelzfließeigenschaften, wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Innenverkleidungsbauteils, das überwiegend aus Polypropylen und biobasierten Polymerfasern besteht gelöst. Dabei ist den biobasierten Polymerfasern gegenüber einer gaußschen Normalverteilung ein erhöhter erster Anteil von langen Fasern und ein erhöhter zweiter Anteil von kurzen Fasern zugegeben worden, sodass insbesondere dem ersten Anteil von langen Fasern und dem zweiten Anteil von kurzen Fasern entsprechend einer bimodalen oder multimodalen Verteilungsfunktion jeweils ein Maximum zugeordnet ist. Hierbei dienen die insbesondere eine geringe Querschnittsfläche aufweisenden langen Fasern beispielsweise zur Herstellung von langfaserverstärktem Granulat zur Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit, während der Einsatz der kurzen Fasern, die hierzu auch eine pulverförmige Beschaffenheit aufweisen können, im Compoundierverfahren die Schmelzfließfähigkeit nur geringfügig einschränken. Gleichzeitig wird auf preisgünstige Art und Weise der biobasierte Anteil und die Steifigkeit erhöht. Dabei wird ein Optimum in Bezug auf die gewünschte hohe Zähigkeit und Steifigkeit einerseits und die Fließeigenschaften andererseits erreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung des Erzeugnisses mittels eines Formpress-Verfahrens. Besonders vorteilhaft erweist es sich hingegen auch, wenn das Erzeugnis im Spritzgießverfahren hergestellt wird. Hierdurch wird eine hohe Designfreiheit bei zugleich umfangreichen Integrationsmöglichkeiten erreicht. Zudem ergibt sich eine geringe Nacharbeit.
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Durch die Komprimierbarkeit von Cellulosefasern während der Verarbeitung verbessern sich die absoluten mechanischen Eigenschaften und die Wasseraufnahme der Fasern wird reduziert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wurde in Versuchen mit einem Bauteil, bestehend aus einem Polypropylen und einem Cellulosefaseranteil von 20%, bei einer bimodalen/multimodalen Verteilung der Faserlänge gegenüber einem Bauteil mit einer normalverteilten Faserlänge eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht.
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Festgestellt wurde eine Verbesserung der Fließfähigkeit (nach ISO 1133) um 47%. Ebenso konnte eine Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit (nach ISO 179/1 eA) um 14% erreicht werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine bimodale/multimodale Faserverteilung der eingesetzten Naturfaserkomponenten;
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2 eine breite, von der gaußschen Normalverteilung abweichende Faserverteilung der eingesetzten Naturfaserkomponenten;
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3 ein Rahmenteil einer Türinnenverkleidung.
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1 zeigt eine bimodale bzw. multimodale Faserverteilung zur Herstellung eines aus Polypropylen und biobasierten Polymerfasern unterschiedlicher Länge hergestellten Werkstoffs. Auf der Abszisse ist die Faserlänge L eingetragen und auf der Ordinate die zugehörige Häufigkeit N. Dabei weisen die biobasierten Polymerfasern einen ersten Anteil von kurzen Fasern mit einer Faserlänge L1 und einen zweiten Anteil von langen Fasern mit einer Faserlänge L2 auf. Wie zu erkennen folgt das Gemisch aus langen und kurzen Fasern einer bimodalen Verteilungsfunktion mit einem ersten Maximum N1, welches einer kurzen Faser und mit einem zweiten Maximum N2, welches einer langen Faser zugeordnet ist. Die auftretenden Maxima entsprechen daher einerseits der Faserlänge L1 der kurzen Fasern sowie andererseits der Faserlänger L2 der langen Fasern, welche dadurch sowohl eine optimierte Zähigkeit als auch wesentlich verbesserte Schmelzfließeigenschaften aufweisen Die gewählte Darstellung soll zur Verdeutlichung des Erfindungsgedanken dienen, es sind auch andere Varianten denkbar. Beispielsweise ist es möglich, dass der Anteil kurzer Fasern höher ist als der Anteil der langen Fasern, zudem kann der Kurvenverlauf flacher sein oder die Maxima näher beieinander liegen.
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Demgegenüber ist in der 2 eine unimodale Faserverteilung dargestellt, die jedoch von der gaußschen Faserverteilung aufgrund ihres flachen Verlaufs wesentlich abweicht. Insbesondere handelt es sich bei der dargestellten Verteilung der Faser unterschiedlicher Länge um keine Zufallsverteilung, sondern um eine gezielte Anhäufung von Fasern einer durch das Maximum N3 definierten Faserlänge L3. Diese Faserverteilung bewirkt, abhängig von der Länger der Faserlänge L3 entweder gute Schmelzfließeigenschaften im Verbundwerkstoff (bei einer kurzen Faserlänge) oder eine verbesserte Kerbschlagzähigkeit (bei einer hohen Faserlänge).
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3 zeigt ein Rahmenteil einer Türinnenverkleidung 1 aus Polypropylen und biobasierten Polymerfasern mit gegenüber einer Normalverteilung erhöhten ersten Anteil von langen Fasern und einen erhöhten zweiten Anteil von kurzen Fasern. Durch die Anwendung des Rahmenteils 1 im Innenraum eines Kraftfahrzeuges muss das Rahmenteil 1 eine hohe Kerbschlagzähigkeit aufweisen, um im Schadensfall, d. h. einem schlagartigen Aufprall, einwirkende Kräfte aufzunehmen ohne zu Splittern und die Insassen des Fahrzeugs zu verletzten. Da es sich um ein großflächiges Bauteil 1 handelt, muss der Werkstoff gute Fließeigenschaften aufweisen, um die Werkzeugform im Spritzgießprozess vollständig auszufüllen. Besonders bei komplexeren Geometrien, wie im Bereich der Anbindung zur Armauflage 2 muss zudem eine hohe Formfüllfähigkeit gegeben sein. Durch die Verwendung von Polypropylen und biobasierten Polymerfasern mit gegenüber einer Normalverteilung erhöhten ersten Anteil von langen Fasern und einen erhöhten zweiten Anteil von kurzen Fasern wird neben einer guten Kerbschlagzähigkeit auch ein gutes Fließverhalten und Formfüllvermögen erreicht. Die langen Fasern bewirken durch mechanische Verschlaufungen untereinander eine gute Kerbschlagzähigkeit und Steifigkeit des Rahmenteils, während der Anteil an kurzen Fasern ein gutes Fließverhalten und Formfüllvermögen sicherstellt. Weitere mögliche Einsatzbereiche sind auch bei Blenden und Klappen im Fahrzeug zu sehen.
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Bezugszeichenliste
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- L
- Faserlänge
- L1
- Faserlänge
- L2
- Faserlänge
- L3
- Faserlänge
- N
- Häufigkeit
- N1
- Maximum
- N2
- Maximum
- N3
- Maximum
- 1
- Rahmenteil einer Türinnenverkleidung
- 2
- Anbindungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69719284 T2 [0006]
- DE 69718793 T2 [0007]
- DE 102008046770 A1 [0008]
- WO 1998/036024 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 1133 [0022]
- ISO 179/1 eA [0022]
