DE102015222310A1

DE102015222310A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffes und Erzeugnis aus einem faserverstärkten Kunststoff

Info

Publication number: DE102015222310A1
Application number: DE102015222310.8A
Authority: DE
Inventors: Christine Schütz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffes mittels einer Spritzgießanlage (1, 10), wobei ein Kunststoff geschmolzen wird und dem geschmolzenen Kunststoff unmittelbar Fasern zugeführt werden, der mit Fasern vermischte Kunststoff in ein Formwerkzeug (2, 20) eingebracht wird, der Kunststoff Polyamid (PA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Styrol-Acrylnitril (SAN) ist und die Fasern Naturfasern sind und die durchschnittliche Faserlänge der Naturfasern kleiner als 1000 µm, vorzugsweise 300 µm oder 700 µm, beträgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Erzeugnis, das aus einem faserverstärkten Kunststoff mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffes mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und ein Erzeugnis aus einem faserverstärkten Kunststoff mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9.
Zum Zweck einer gezielten Optimierung der Eigenschaften eines Kunststoffes ist es allgemein bekannt, dem Kunststoff Zuschlagstoffe beizumischen. Ziel ist es dabei, aus einem Kunststoffrohstoff eine Kunststoff-Formmasse mit vorteilhaften Eigenschaften für die Verarbeitung und Anwendung herzustellen. Eine weitere Bearbeitung der Kunststoff-Formmasse erfolgt beispielsweise mittels eines Spritzgießverfahrens. Dabei erfolgt zunächst eine Beimischung von Zuschlagstoffen zu dem Kunststoff, beispielsweise in einem Extruder. Im weiteren Verlauf erfolgt eine Einspritzung der Kunststoff-Formmasse in ein Formwerkzeug. Insbesondere ist es bekannt, auf diese Weise in eine Kunststoffmatrix Verstärkungsfasern einzubringen, so dass ein Faser-Kunststoff-Verbund bereitsteht, der eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Solche faserverstärkten Kunststoffe sind besonders geeignet für Leichtbauanwendungen.
Ein derartiges Verfahren ist gemäß der DE 10 2012 217 586 A1 Stand der Technik. Die hierbei verwendete Spritzgießanlage umfasst eine Schneckenwelle. Die Schneckenwelle ist in einer in einem Gehäuse ausgebildeten Gehäusebohrung angeordnet. Durch eine erste Öffnung wird Kunststoffmaterial in die Gehäusebohrung eingebracht. Das Kunststoffmaterial wird mittels der Schneckenwelle in den Bereich einer Aufschmelzzone gefördert. Nachdem das Kunststoffmaterial aufgeschmolzen ist, wird es in eine Zuführzone gefördert. Dort erfolgt eine Zufuhr von Fasern zu dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial mittels einer Zuführvorrichtung durch eine zweite Öffnung. Im weiteren Verlauf werden die Fasern mittels der Schneckenwelle in das Kunststoffmaterial eingemischt und anschließend in ein Formwerkzeug eingebracht, entweder durch ein Verlagern der Schneckenwelle entlang ihrer Drehachse oder durch das Betätigen eines Kolbens innerhalb eines Zylinders einer Kolben-Zylinder-Einheit. Die Zuführvorrichtung weist eine Schneideinrichtung auf. Mittels der Schneideinrichtung werden Fasern mit einer einstellbaren Faserlänge erzeugt. Die Fasern weisen eine Länge von 2 mm bis 100 mm, insbesondere 15 mm bis 50 mm auf. Das heißt, die Fasern sind vorzugsweise als Langfasern ausgebildet. Die Schneideinrichtung weist zum Schneiden der Fasern ein Schneidelement und ein Anpresselement auf, die rollenförmig ausgebildet sind und einen Spalt begrenzen. Zum Schneiden der Fasern weist das Schneidelement einen walzenförmigen Grundkörper auf, an dem über den Umfang verteilt mehrere Schneidmesser befestigt sind. Über die Anzahl beziehungsweise den Abstand der Schneidmesser ist die Faserlänge einstellbar. Das heißt, die Faserlänge ist abhängig von der äußeren Beschaffenheit beziehungsweise Geometrie des Schneidelementes. Die Anzahl der Schneidmesser kann jedoch nicht beliebig erhöht beziehungsweise der Abstand der Schneidmesser kann nicht beliebig verringert werden. Daher ist es mittels dieses Verfahrens nicht möglich, Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen mit sehr geringen Faserlängen herzustellen.
Weiterhin ist gemäß der DE 103 09 809 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einem faserverstärkten Werkstoff Stand der Technik. Dieser Werkstoff umfasst ein Elastomer sowie darin enthaltene Fasern. Die Fasern werden einer Einspritzschnecke zugeführt. Mittels der Einspritzschnecke werden die Fasern auf eine Länge von durchschnittlich mindestens 5 mm geschnitten. Weiterhin werden die geschnittenen Fasern mittels der Einspritzschnecke in Richtung eines Formwerkzeuges gefördert. Die Einspritzschnecke nimmt außerdem das von einer Sekundärschnecke geförderte geschmolzene Elastomer auf. Das heißt, die Sekundärschnecke übernimmt die direkte Befüllung der Einspritzschnecke. Die Einspritzschnecke stellt somit das Gemisch aus dem Elastomer und den geschnittenen Fasern her. Im weiteren Verlauf wird das Gemisch einer Füllkammer zugeführt, die mit einer Kolben-Zylinder-Einheit derart verbunden ist, dass das Gemisch, durch das Betätigen des Kolbens innerhalb des Zylinders der Kolben-Zylinder-Einheit, in ein Formwerkzeug eingebracht wird. Dadurch, dass der Zuschnitt der Fasern mittels der Einspritzschnecke erfolgt, ist die Faserlänge abhängig von der äußeren Beschaffenheit beziehungsweise Geometrie der Einspritzschnecke, insbesondere der Steigung der Einspritzschnecke. Die Steigung der Einspritzschnecke kann jedoch nicht beliebig verringert werden. Daher ist es auch mittels dieses Verfahrens nicht möglich, Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen mit sehr geringen Faserlängen herzustellen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen auch mit sehr geringen Faserlängen sicher und effizient herzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffes mittels einer Spritzgießanlage gelöst, wobei ein Kunststoff geschmolzen wird und dem geschmolzenen Kunststoff unmittelbar Fasern zugeführt werden, der mit Fasern vermischte Kunststoff in ein Formwerkzeug eingebracht wird, der Kunststoff Polyamid (PA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Styrol-Acrylnitril (SAN) ist und die Fasern Naturfasern sind und die durchschnittliche Faserlänge der Naturfasern kleiner als 1000 µm, vorzugsweise 300 µm oder 700 µm, beträgt.
Dadurch, dass dem geschmolzenen Kunststoff unmittelbar Naturfasern mit sehr geringen Faserlängen zugeführt werden, ist es möglich, Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen sicher und effizient herzustellen. Das heißt gegenüber dem Stand der Technik besteht keine Abhängigkeit von der äußeren Beschaffenheit von Schneideinrichtungen gemäß dem Stand der Technik, da dem geschmolzenen Kunststoff unmittelbar Naturfasern zugeführt werden und die Faserlänge der Naturfasern räumlich völlig unabhängig von der Spritzgießanlage festgelegt wird.
Darüber hinaus ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, Naturfasern in Kunststoffe wie Polyamid (PA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Styrol-Acrylnitril (SAN) mittels eines Spritzgussverfahrens einzuarbeiten. Da Naturfasern eine vergleichsweise geringe Zersetzungstemperatur aufweisen, gestaltet sich die Anwendung von Spritzgießverfahren als schwierig, insbesondere weil hinsichtlich Zugfestigkeit und Steifigkeit vorteilhafte Kunststoffe wie Polyamid (PA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Styrol-Acrylnitril (SAN) eine vergleichsweise hohe Verarbeitungstemperatur aufweisen. Anders gesagt erfolgt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine schonende Direktverarbeitung, da durch die unmittelbare Zufuhr der Naturfasern zu dem geschmolzenen Kunststoff die Verweildauer der Naturfasern in der Spritzgießanlage verkürzt wird und somit einer Faserschädigung vorgebeugt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht mehr notwendig, auf Verfahren wie das Formfaserpressen auf Basis von Faservlieshalbzeugen auszuweichen. Insbesondere die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zusammenhang mit dem so genannten Faser-Direkt-Spritzgießen, also einem Wegfall des Compoundierprozesses, führt zu einer besonders deutlichen Verringerung der Verweildauer der Naturfasern in der Kunststoffschmelze, das heißt, die Temperatur- und Scherbelastungen auf die Naturfasern werden so drastisch reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kunststoff Polycaprolactam (PA6) und der Faserstoff Cellulose, wobei der faserverstärkte Kunststoff zusätzlich einen Haftvermittler enthält.
Bevorzugt beträgt der gewichtsmäßige Anteil an Naturfasern an dem faserverstärkten Kunststoff zwischen 2 % und 50 %. Ein gewichtsmäßiger Anteil des Haftvermittlers beträgt vorzugsweise zwischen 1 % und 3 %.
Der Haftvermittler ist dabei insbesondere Maleinsäureanhydrid-gegraftetes Polypropylen (PP).
Auf Grundlage des faserverstärkten Kunststoffes, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, sind eine Vielzahl von Erzeugnissen denkbar, insbesondere Bauteile eines Fahrzeuges, das heißt alle verstärkten Bauteile bestehend aus Polyamid (Funktionsbauteile). Da derartige Erzeugnisse lackierbar sind, ist es denkbar, auch Bauteile der Außenhaut eines Fahrzeuges daraus zu fertigen. Interessant ist dieser faserverstärkte Kunststoff insbesondere für Bauteile, bei denen das gute Dämpfungsverhalten der Naturfaser von Belang ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform und
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt eine Spritzgießanlage 1 in einer ersten Ausführungsform. Die Spritzgießanlage 1 umfasst ein Formwerkzeug 2 und eine Schneckenwelle 3. Die Schneckenwelle 3 ist in einer in einem Gehäuse 4 ausgebildeten Gehäusebohrung 5 angeordnet. Die Schneckenwelle 3, das Gehäuse 4 und die darin ausgebildete Gehäusebohrung 5 bilden eine Aufbereitungseinheit. Der Schneckenwelle 3 ist ein nicht gezeigtes Heizmittel zugeordnet. Der Aufbereitungseinheit wird mittels eines ersten Dosiersystems 6 Kunststoff als Matrixmaterial beispielsweise in Form eines Granulates zugeführt. Die Schneckenwelle 3 transportiert das Granulat in Richtung eines zweiten Dosiersystems 7. Zwischen dem ersten Dosiersystem 6 und dem zweiten Dosiersystem 7 wird das Granulat mittels des nicht gezeigten Heizmittels aufgeschmolzen. Der Aufbereitungseinheit werden weiterhin mittels des zweiten Dosiersystems 7 Naturfasern zugeführt. Das zweite Dosiersystem 7 umfasst ein Untersystem zum Dosieren der Naturfasern, insbesondere ein Ventil oder einen Schneckenförderer. Das zweite Dosiersystem 7 kann auch weitere Untersysteme zum Wiegen und/oder zum Fördern umfassen. Dem geschmolzenen Kunststoff werden mittels des zweiten Dosiersystems 7 direkt Naturfasern zugeführt. Die Naturfasern weisen dabei schon eine definierte Faserlänge auf. Anders gesagt werden schon dem zweiten Dosiersystem 7 Naturfasern mit einer definierten Faserlänge zugeführt. Das heißt, die Faserlänge der Naturfasern wird räumlich unabhängig von der Spritzgießanlage 1 beziehungsweise der Aufbereitungseinheit beziehungsweise dem zweiten Dosiersystem 7 festgelegt beziehungsweise sichergestellt. Das heißt, die Naturfasern mit der definierten Endlänge werden lose oder in Gebinden geliefert und beispielsweise in einen Speicherbehälter des zweiten Dosiersystems 7 eingefüllt. Im weiteren Verlauf werden sowohl der geschmolzene Kunststoff als auch die zugeführten Naturfasern mittels der Schneckenwelle 3 vermischt und weitertransportiert und zwar in Richtung des Formwerkzeuges 2, das heißt, es erfolgt ein Plastifizieren des geschmolzenen Kunststoffes und der Naturfasern. Im noch weiteren Verlauf erfolgt ein Einbringen dieses Gemisches in das Formwerkzeug 2, beispielsweise durch ein Verlagern der Schneckenwelle 3 entlang ihrer Drehachse. Auf diese Weise entfällt gegenüber einem Verfahren mit einer Extrusion der Prozess des Compoundierens und es wird sichergestellt, dass die Verweildauer der Naturfasern in dem geschmolzenen Kunststoff auf das nötigste beschränkt beziehungsweise minimal ist. Bei der ersten Ausführungsform handelt es sich um das so genannte Faser-Direkt-Spritzgießen.
Dabei wird die Verweildauer der Naturfasern in der Kunststoffschmelze besonders stark verringert.
Der mittels des ersten Dosiersystems 6 der Aufbereitungseinheit zugeführte Kunststoff ist Polyamid, insbesondere Polycaprolactam (PA6) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Styrol-Acrylnitril (SAN).
Die mittels des zweiten Dosiersystems 7 dem geschmolzenen Kunststoff zugeführten Naturfasern sind Cellulose oder Sisal oder Flachs oder Lignin oder Kenaf. Die durchschnittliche Faserlänge der genannten Naturfasern beträgt bevorzugt 300 µm oder 700 µm.
2 zeigt eine Spritzgießanlage 10 in einer zweiten Ausführungsform. Die Spritzgießanlage 10 umfasst ein Formwerkzeug 20 und eine Mischeinheit 30. Die Mischeinheit 30 umfasst einen Extruder mit zwei Schneckenwellen 40a und 40b. Den beiden Schneckenwellen 40a und 40b ist ein nicht gezeigtes Heizmittel zugeordnet. Der Mischeinheit 30 wird mittels eines ersten Dosiersystems 50 Kunststoff als Matrixmaterial beispielsweise in Form eines Granulates zugeführt. Die zwei Schneckenwellen 40a und 40b transportieren das Granulat in Richtung eines zweiten Dosiersystems 60. Zwischen dem ersten Dosiersystem 50 und dem zweiten Dosiersystem 60 wird das Granulat mittels des nicht gezeigten Heizmittels aufgeschmolzen. Der Mischeinheit 30 werden weiterhin mittels des zweiten Dosiersystems 60 Naturfasern zugeführt. Das zweite Dosiersystem 60 umfasst ein Untersystem zum Dosieren der Naturfasern, insbesondere ein Ventil oder einen Schneckenförderer. Das zweite Dosiersystem 60 kann auch weitere Untersysteme zum Wiegen und/oder zum Fördern umfassen. Dem geschmolzenen Kunststoff werden mittels des zweiten Dosiersystems 60 direkt Naturfasern zugeführt. Die Naturfasern weisen dabei schon eine definierte Faserlänge auf. Anders gesagt werden schon dem zweiten Dosiersystem 60 Naturfasern mit einer definierten Faserlänge zugeführt. Das heißt, die Faserlänge der Naturfasern wird räumlich unabhängig von der Spritzgießanlage 10 beziehungsweise der Mischeinheit 30 beziehungsweise der zweiten Dosiersystems 60 festgelegt beziehungsweise sichergestellt. Das heißt, die Naturfasern mit der definierten Endlänge werden lose oder in Gebinden geliefert und beispielsweise in einen Speicherbehälter des zweiten Dosiersystems 60 eingefüllt. Im weiteren Verlauf werden sowohl der geschmolzene Kunststoff als auch die zugeführten Naturfasern mittels der zwei Schneckenwellen 40a und 40b vermischt und weiter transportiert und zwar in Richtung einer Füllkammer 70. Das heißt, es erfolgt eine Einbettung der Naturfasern in die Kunststoffmatrix. Die Füllkammer 70 steht über ein Ventil 80 mit einer Kolben-Zylinder-Einheit 90 in Verbindung. Die Füllkammer 70 steht weiterhin mit dem Formwerkzeug 20 in Verbindung. Ist die Füllkammer 70 ausreichend mit dem Gemisch aus geschmolzenem Kunststoff und Naturfasern befüllt, wird das Ventil 80 betätigt, so dass die Zufuhr des Gemisches von der Mischeinheit 30 unterbrochen ist und die Verbindung zu dem Kolben 90a der Kolben-Zylinder-Einheit 90 geöffnet ist, wobei – wenn der Kolben 90a in Richtung des Formwerkzeuges 20 bewegt wird – das Gemisch in das Formwerkzeug 20 eingebracht wird. Anschließend wird wieder das Ventil 80 betätigt, der Kolben 90a entgegen der Richtung des Formwerkzeuges 90 bewegt und die Füllkammer 70 neu befüllt. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Extrusion beziehungsweise es findet der Prozess des Compoundierens statt.
Der mittels des ersten Dosiersystems 50 der Mischeinheit 30 zugeführte Kunststoff ist Polyamid, insbesondere Polycaprolactam (PA6) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Styrol-Acrylnitril (SAN).
Die mittels des zweiten Dosiersystems 60 dem geschmolzenen Kunststoff zugeführten Naturfasern sind Cellulose oder Sisal oder Flachs oder Lignin oder Kenaf. Die durchschnittliche Faserlänge der genannten Naturfasern beträgt bevorzugt 300 µm oder 700 µm.
Nach einer ersten Variante wird Polycaprolactam (PA6) und Zellulose in gewichtsmäßigen Anteilen von 90 % zu 10 % verarbeitet.
In einer zweiten Variante wird Polycaprolactam (PA6) und Zellulose in gewichtsmäßigen Anteilen von 80 % zu 20 % verarbeitet.
In einer dritten Variante wird Polycaprolactam (PA6) und Zellulose und ein Haftvermittler in gewichtsmäßigen Anteilen von 78 % zu 20 % zu 2 % verarbeitet.
Die durchschnittlichen Faserlängen der Zellulose betragen jeweils 700 µm oder 300 µm.
Bezugszeichenliste

1: Spritzgießanlage
2: Formwerkzeug
3: Schneckenwelle
4: Gehäuse
5: Gehäusebohrung
6: erstes Dosiersystem
7: zweites Dosiersystem
10: Spritzgießanlage
20: Formwerkzeug
30: Mischeinheit
40a: Schneckenwelle
40b: Schneckenwelle
50: erstes Dosiersystem
60: zweites Dosiersystem
70: Füllkammer
80: Ventil
90: Kolben-Zylinder-Einheit
90a: Kolben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012217586 A1 [0003]
DE 10309809 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffes mittels einer Spritzgießanlage (1, 10), wobei ein Kunststoff geschmolzen wird und dem geschmolzenen Kunststoff unmittelbar Fasern zugeführt werden, der mit Fasern vermischte Kunststoff in ein Formwerkzeug (2, 20) eingebracht wird, der Kunststoff Polyamid (PA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Styrol-Acrylnitril (SAN) ist und die Fasern Naturfasern sind und die durchschnittliche Faserlänge der Naturfasern kleiner als 1000 µm, vorzugsweise 300 µm oder 700 µm, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstoff der Naturfasern Cellulose oder Sisal oder Flachs oder Lignin oder Kenaf ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gewichtsmäßige Anteil an Naturfasern an dem faserverstärkten Kunststoff 2 % bis 50 % beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polycaprolactam (PA6) ist, der Faserstoff Cellulose ist und der gewichtsmäßige Anteil an Naturfasern an dem faserverstärkten Kunststoff 10 % beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Cellulose gereinigt und frei von Nebenprodukten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polycaprolactam (PA6) ist, der Faserstoff Cellulose ist und der faserverstärkte Kunststoff zusätzlich einen Haftvermittler enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftvermittler Maleinsäureanhydrid-gegraftetes Polypropylen (PP) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern einer Aufbereitungseinheit zugeführt werden, die Teil der Spritzgießanlage (1) ist und durch eine Schneckenwelle (3), ein Gehäuse (4) und die darin ausgebildete Gehäusebohrung (5) gebildet wird, die Schneckenwelle (3) in der Gehäusebohrung (5) angeordnet ist und gegenüber einem Verfahren mit einer Extrusion und der Verwendung einer Kolben-Zylinder-Einheit (90) zum Einbringen des mit Fasern vermischten Kunststoffes in das Formwerkzeug (20) der Prozess des Compoundierens entfällt, so dass die Verweilzeit der Naturfasern in dem geschmolzenen Kunststoff minimiert wird.
Erzeugnis, das aus einem faserverstärkten Kunststoff mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8 hergestellt ist.
Erzeugnis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugnis ein Bauteil eines Fahrzeuges ist.