DE102014216025A1

DE102014216025A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserhaltigen Kunststoffspritzgussgranulats

Info

Publication number: DE102014216025A1
Application number: DE102014216025.1A
Authority: DE
Inventors: Stephan Huber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2016-02-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserhaltigen Kunststoffspritzgussgranulats (5) das die Schritte i) Bereitstellen von sekundärem Fasermaterial (1), ii) Zerkleinern des sekundären Fasermaterials (1), iii) Herstellen einer Mischung aus dem zerkleinerten sekundären Fasermaterial (2) und einem Matrixmaterial (3), iv) Fördern der Mischung durch einen Extruder (4) und v) Granulieren der extrudierten Mischung, umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserhaltigen Kunststoffspritzgussgranulats sowie die Verwendung eines nach dem Verfahren hergestellten Kunststoffspritzgussgranulats.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Wiederverwendung von faserhaltigen Materialien, wie z. B. Faserverbundkunststoffen, bekannt. So beschreibt WO 2011/101093 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Pellets aus Faserverbundwerkstoffen, das für die weitere Verarbeitung in einem kunststofftechnischen Fertigungsverfahren geeignet ist. Die Pellets enthalten Carbonfasern und wenigstens ein thermoplastisches Matrixmaterial und werden dadurch erhalten, dass aus carbonfaserhaltigen Abfällen oder Altteilen isolierte Carbonfasern zusammen mit dem thermoplastischen Matrixmaterial flächig abgelegt, unter Wärmeeinwirkung zu einem Plattenmaterial verpresst, danach abkühlt und zu Pellets, Plättchen oder Chips zerkleinert werden. Die Isolation der Carbonfasern aus den carbonfaserhaltigen Altmaterialien ist ein aufwendiger Prozess und wird zumeist durch pyrolytische Verfahren umgesetzt, was durch die hohen anzuwendenden Temperaturen zur Beeinträchtigung der Faserstruktur und Faseroberfläche führen kann. Auch das flächige Ablegen und Verpressen sind zeitaufwendige und technisch hoch anspruchsvolle Prozesse, die zur Steigerung der Produktionskosten der faserhaltigen Pellets beitragen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserhaltigen Kunststoffspritzgussgranulats anzugeben, das einfach, ohne hohen technischen Aufwand zeitsparend und kostengünstig umsetzbar ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung eine Verwendung des nach dem Verfahren hergestellten Kunststoffspritzgussgranulats anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte unter Verwendung von sekundärem Fasermaterial gelöst: einem Zerkleinerungsschritt, einem Extrudierschritt und einem Granulierschritt. Im Zerkleinerungsschritt wird das sekundäre Fasermaterial, also Fasermaterial das aus Faserverschnitt, Gelegeresten, Preformresten und dergleichen sowie Mischungen aus unterschiedlichen dieser faserhaltigen Materialien stammt, auf die gewünschte Größe zerteilt, eine Größe, die in Kombination mit dem später aufzubringenden Matrixmaterial die gewünschte Granulatgröße ermöglicht. Vorteilhaft für die Weiterverarbeitung ist eine Größe des sekundären Fasermaterials nach dem Zerkleinerungsschritt von kleiner als 10 cm·10 cm, insbesondere von kleiner als 7 cm·7 cm. Dem zerkleinerten Fasermaterial, das vorteilhafterweise Matrixmaterial-frei aber auch bereits mit vormals verwendetem Matrixmaterial versetzt sein kann, wird sodann Matrixmaterial zugefügt und somit eine Mischung aus zerkleinertem sekundären Fasermaterial und dem Matrixmaterial erhalten, die durch einen Extruder befördert wird. Im Extruder erfolgt eine Homogenisierung der Mischung. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das sekundäre Fasermaterial bereits vormals verwendetes Matrixmaterial aufweist, da dann die Adhäsion am und Verteilung des Fasermaterials im zugeführten Matrixmaterial erleichtert wird. Je nach verwendetem Matrixmaterial werden im Extruder hierzu ein bestimmter Förderdruck und eine bestimmte Fördertemperatur eingehalten. Die Anwendung eines Extrudierverfahrens bietet zudem den Vorteil der Mischung weitere Komponenten, beispielsweise Fließhilfsmittel, farbgebende Substanzen wie Pigmente und dergleichen und andere funktionale Additive, wie z. B. Vernetzer oder Härter, zuzufügen und erspart somit separate Prozessschritte. Die extrudierte und damit homogenisierte faserhaltige und matrixhaltige Mischung wird im Anschluss nach dem Austritt aus dem Extruder auf die gewünschte Größe granuliert. Auch die Granulierung ist von den verwendeten Materialien abhängig und kann aus vielfältigen Granulierverfahren ausgewählt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann, aufgrund der zu kombinierenden erfindungswesentlichen Verfahrensschritte, in einem kontinuierlichen Prozess mit hoher Taktung ausgeführt werden, der technisch einfache, etablierte Standardprozessschritte miteinander kombiniert. Das erhaltene faserhaltige Kunststoffgranulat weist gegenüber entsprechenden Granulaten, die unter Verwendung von Faserneuware hergestellt wurden, keinerlei qualitative Nachteile auf und kann in herkömmlicher Weise einem Kunststoffspritzgussprozess zur Herstellung von Faserverbundkunststoffen zugeführt werden. So werden durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein kostengünstiges Recycling von Altfasermaterial und die Herstellung von preisgünstigem, nachhaltig hergestelltem Faserverbundkunststoff ermöglicht.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Aufgrund des hohen Durchsatzes erfolgt das Zerkleinern des sekundären Fasermaterials vorteilhafterweise durch Schreddern. Unter einem Schredder wird erfindungsgemäß ein mechanisches Gerät zum Zerkleinern von faserhaltigen Materialien verstanden, das ein Mahlwerk aufweist, welches beispielsweise über versetzt angebrachte Walzen, eine Schlagscheibe oder einer Hammermühle, verfügt. Vorteilhaft hieran ist eine direkte Zerkleinerung und Förderung des Schredderguts bei einstellbarer Fasergröße bzw. Fasermaterialgröße. Das sekundäre Fasermaterial kann, so wie es anfällt, direkt in den Schredder gefördert werden. Vorteilhaft erfolgt die Zerkleinerung des Fasermaterials im Schredder mittels auf einer Trommel befindlichen Messern. Hierbei kann das sekundäre Fasermaterial sehr stark und gleichmäßig zerkleinert werden, beispielsweise auf Fasern mit einer mittleren Faserlänge von etwa 1–3 cm für Langfasern oder im Bereich von Kurzfasern von etwa 200–400 μm. Eine Verteilbarkeit des geschredderten sekundären Fasermaterials im zuzufügenden Matrixmaterial wird dadurch erleichtert.
Ein Schreddern kann sich auch an den Zerkleinerungsschritt anschließen. So wird das sekundäre Fasermaterial zunächst auf herkömmliche Weise vorzerkleinert und anschließend geschreddert. Auch hier werden die o. g. Vorteile des Schredderns, nämlich das Herstellen eines Schredderguts mit definierter Fasermateriallänge bzw. Faserlänge, erhalten. Ein zunächst vorgeschaltetes Vorzerkleinern des sekundären Fasermaterials im Zerkleinerungsschritt ist beispielsweise bei der Verwendung von unterschiedlichen sekundären Ausgangsfasermaterialien vorteilhaft.
Das Beifügen des Matrixmaterials zu dem zerkleinerten sekundären Fasermaterial kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten, dem Extruder vorgelagert oder im Extruder erfolgen. Das Herstellen der Mischung im Extruder ist unter den Gesichtspunkten der Verfahrensvereinfachung, technisch einfacheren Umsetzbarkeit, beispielsweise durch Verwendung von Mehrschneckenextrudern, und damit auch im Lichte einer Kostenreduzierung des Herstellverfahrens, vorteilhaft. Zudem kann eine Matrixdosierung bzw. Fasermaterialdosierung besonders exakt erfolgen und somit die Homogenität der Mischung gefördert werden.
Das Granulierverfahren wird in Abhängigkeit der verwendeten Rohstoffe ausgewählt. Insbesondere bei thermoplastischen Matrixmaterialien, die im Extruder meist unter Druck und Temperatur plastifiziert werden, wird die extrudierte Mischung am Ausgang des Extruders durch eine Lochplatte zu dünnen Strängen geformt, die durch Heißabschlag sehr schnell in gleichmäßig große Stücke zerteilt werden können. Alternativ kann nach Abkühlung der extrudierten Mischung diese mittels eines Stranggranulators geschnitten oder durch Unterwassergranulierung granuliert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht die Verwendung von sekundärem Kohlenstofffasermaterial als sekundäres Fasermaterial vor. Aufgrund ihrer mechanischen Stabilität und hohen physikalischen wie chemischen Beständigkeit sind Kohlenstofffasermaterial haltige Kunststoffe besonders bevorzugt. Überraschend hat sich gezeigt, dass gerade sekundäre Kohlenstofffasermaterialien besonders gut nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt werden können, da sie durch die schonende Bearbeitung, insbesondere während des Vermischens mit dem Matrixmaterial, vorzugsweise im Extruder, im Wesentlichen keine qualitativen Einbußen erleiden.
Weiter vorteilhaft wird als Matrixmaterial ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymermaterial verwendet. Diese lassen sich sehr gut extrudieren und besonders homogen mit zerkleinertem sekundären Fasermaterial vermengen. Aufgrund der vielfachen Anwendungsmöglichkeiten, sind thermoplastische Matrixmaterialien besonders bevorzugt.
In den Fällen, in denen das sekundäre Fasermaterial bereits ein Matrixmaterial trägt, das aus der vormaligen Verarbeitung stammt, ist aufgrund der leichteren Einarbeitung und homogenen Verteilbarkeit des sekundären faserhaltigen Materials weiter vorteilhaft vorgesehen, dass als zuzufügendes Matrixmaterial derselbe Typ Matrixmaterial verwendet wird, der bereits im sekundären Fasermaterial vorliegt. Weist das sekundäre Fasermaterial also beispielsweise ein thermoplastisches Polymer als Matrixmaterial auf, so verwendet man vorteilhaft als zuzufügendes Matrixmaterial ebenfalls ein thermoplastisches, vorzugsweise auch ein chemisch ähnliches, Matrixmaterial, beispielsweise ein Polyacrylat etc.
Um die Prozesszeiten der Herstellung des faserhaltigen Kunststoffspritzgussgranulats zu reduzieren und somit die Taktung zu erhöhen, wird das Verfahren vorteilhafterweise in einer Vorrichtung mit einer kombinierten Schredder-Extruder-Einrichtung ausgeführt. Dies erspart ein separates Vorhalten von zerkleinertem sekundären Fasermaterial und dessen Bevorratung. Das im Schredder zerkleinerte sekundäre Fasermaterial wird auf kurzen Förderwegen direkt dem Extruder zugefügt, mit dem Matrixmaterial vermengt und anschließend granuliert. Diese Verfahrensführung erfordert somit nur eine Fertigungslinie, ohne dass das Verfahren technisch mehr Aufwand generiert.
Weiter erfindungsgemäß wird auch die Verwendung eines wie vorstehend hergestellten Kunststoffspritzgussgranulats zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffes beschrieben. Aufgrund der Verwendung von sekundärem Fasermaterial und dessen Verarbeitung zu hoch qualitativem Kunststoffgranulat wird ein kostengünstiger Faserverbundkunststoff von hoher qualitativer Güte bereitgestellt, der die Nachhaltigkeit des Kunststofffasermaterials verbessert.
Besonders gut eignet sich das erfindungsgemäß hergestellte Kunststoffspritzgussgranulat aufgrund seiner hohen Qualität zur Herstellung eines Kohlenstofffaserverbundkunststoffes.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:

– Das Verfahren ist einfach ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar.
– Das Verfahren kombiniert herkömmliche Standardprozesse.
– Das Verfahren bietet eine kostengünstige Möglichkeit des Recyclings von Fasermaterialien unterschiedlicher Art ohne qualitative Einbußen.
– Ein aufwendiges Aufbereiten der Fasermaterialreste entfällt.
– Die Nachhaltigkeit von herzustellenden Faserverbundkunststoffen wird durch die Verwendung von recyceltem sekundären Fasermaterial erhöht.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail erläutert. In 1 sind nur die hier interessierenden Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Im Detail zeigt 1 eine Übersicht über die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlichen Verfahrensschritte A–C. Zunächst wird ein sekundäres Fasermaterial 1, vorzugsweise ein sekundäres Kohlenstofffasermaterial, bereitgestellt. Dies kann beispielsweise ein Faserverschnitt, Fasergelege, Prepregrest oder Preformrest oder aber eine Mischung unterschiedlicher sekundärer Fasermaterialien sein. In einem ersten Verfahrensschritt A wird das sekundäre Fasermaterial zerkleinert, vorzugsweise in einem Schredder. So wird ein zerkleinertes sekundäres Fasermaterial 2 erhalten, dem in einem Schritt B ein Matrixmaterial 3 zugefügt wird. Dies kann auf herkömmliche Weise durch Vermischen definierter Mengen an zerkleinertem Fasermaterial 2 und Matrixmaterial 3 erfolgen. Vorzugsweise wird das Vermengen in einem Extruder 4 ausgeführt, wodurch zugleich eine gute Homogenisierung der Mischung gefördert wird. Nach einem Durchführen der Mischung durch den Extruder 4 wird die extrudierte Mischung in einem Schritt C granuliert und somit auf eine gewünschte Granulatgröße gebracht. Es wird ein Kunststoffspritzgussgranulat 5 erhalten, das sekundäres Fasermaterial 2 umfasst, das mindestens teilweise von Matrixmaterial 3 umgeben ist und das in herkömmlicher Weise ohne weitere Aufbereitung einem Kunststoffspritzgussprozess zugeführt werden kann.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: sekundäres Fasermaterial
2: zerkleinertes sekundäres Fasermaterial
3: Matrixmaterial
4: Extruder
5: Kunststoffspritzgussgranulat

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

WO 2011/101093 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserhaltigen Kunststoffspritzgussgranulats (5), umfassend die Schritte: – Bereitstellen von sekundärem Fasermaterial (1), – Zerkleinern des sekundären Fasermaterials (1), – Herstellen einer Mischung aus dem zerkleinerten sekundären Fasermaterial (2) und einem Matrixmaterial (3), – Fördern der Mischung durch einen Extruder (4) und – Granulieren der extrudierten Mischung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerkleinern des sekundären Fasermaterials (1) durch Schreddern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Mischung aus dem zerkleinerten sekundären Fasermaterial (2) und dem Matrixmaterial (3) im Extruder (4) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulieren der extrudierten Mischung durch Heißabschlag oder nach Abkühlung in einem Stranggranulator oder durch Unterwassergranulierung umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als sekundäres Fasermaterial (1) ein sekundäres Kohlenstofffasermaterial verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial (3) ein thermoplastisches oder duroplastisches Polymermaterial verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial (3) derselbe Typ Matrixmaterial verwendet wird, der bereits im sekundären Fasermaterial vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Vorrichtung mit einer kombinierten Schredder-Extruder-Einrichtung ausgeführt wird.
Verwendung eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Kunststoffspritzgussgranulats (5) zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffes.
Verwendung nach Anspruch 9 zur Herstellung eines Kohlenstofffaserverbundkunststoffes.