DE102020125477A1 - Vernadelte Sandwich-Vliesstruktur, und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Siegfried Bernhardt
Volkmar Schulze
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Adler Pelzer Holding GmbH
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Abstract

Gegenstand der Erfindung sind vernadelte Sandwich-Materialstrukturen, in denen ein Kernvlies mit vertikal orientierten Fasern zum Einsatz kommt; und ein Verfahren zur Herstellung dieser Sandwich-Materialstrukturen.

Description

  • Gegenstand der Erfindung sind vernadelte Sandwich-Materialstrukturen, in denen ein Kernvlies mit vertikal orientierten Fasern zum Einsatz kommt; und ein Verfahren zur Herstellung dieser Sandwich-Materialstrukturen.
  • Im Stand der Technik wird in der DE 10 2016 203 348 A1 über mehrlagige Akustik- und/oder Versteifungsvliesstoffe berichtet. Auch findet man in der noch unveröffentlichten DE 10 2019 104 847 A1 Angaben zum Einnadeln von Streugut in Nadelvliesstrukturen. Die noch unveröffentlichte DE 10 2019 104 851 A1 offenbart Vorrichtungen zum Einstreuen von Streugut in Nadelvliesstrukturen.
  • Ein Faserschichtmaterial, welches sich insbesondere als Kunstleder verwenden lässt, und aus zwei Arten übereinander angeordneter Faserschichten gebildet ist, die sich hinsichtlich der Anordnung der sie aufbauenden Fasern unterscheiden, wird in DE 2 032 624 A beschrieben. Das Faserschichtmaterial ist aus einer ersten aus Fasern aufgebauten Schicht (Kurzfaserschicht), deren Fasern zu einem überwiegenden Anteil im Wesentlichen in Richtung der Schichtdicke verlaufen, und aus einer oder mehreren zweiten Faserschichten, deren Fasern zu einem überwiegenden Anteil in Oberflächenrichtung verlaufen, aufgebaut. Beide Faserschichten sind laminatartig übereinander gebracht und miteinander verbunden, wobei die im Oberflächenbereich der ersten Faserschicht befindlichen Fasern in den Faseraufbau der zweiten Faserschicht eindringen. Das Faserschichtmaterial kann vorzugsweise eine hochpolymere elastische Substanz enthalten. Die Kurzfaserschicht, deren Fasern zu einem überwiegenden Anteil im Wesentlichen in Richtung der Schichtdicke verlaufen, wird erzeugt, indem ein im Rando-Webbers oder einer Kreuzlegemaschine erzeugtes Faserband, in Dickenrichtung in einer Schneidstation in aufeinanderfolgende Faserstücke zerschnitten wird; und die Faserstücke werden anschließend in einer Drehstation um 90° gedreht. Danach werden beidseitig Faserbänder zugeführt, der Schichtaufbau verpresst und vernadelt. Des Weiteren wird der Verbund in der Mitte der Kurzfaserschicht durchgeschnitten und nachfolgend mit einem hochpolymeren elastischen Material imprägniert sowie einem Schwabbelvorgang unterzogen. Die verwendeten Fasern haben einen inselartigen Aufbau. Nach dem Imprägnieren wird der Schichtverbund mit einem Lösungsmittel für die Entfernung der Einbettkomponente behandelt und getrocknet. Somit erhält man letztlich ein kunstlederartiges Faserschichtmaterial.
  • Mit der DE 298 12 401 U1 wird ein Faserverbundwerkstoff für selbsttragende Formteile mit hoher Flächenstabilität offenbart, in dem ein Struto-Vlies beidseitig mit einem weiteren Vlies kaschiert wird. Tao Yang et al., Investigation on Acoustic Behaviour and Air Permeability of Struto Nonwovens; Fibers and Polymers 2016, Vol. 17, No.12, 2078-2084 beschreiben die akustische Leistung von Struto-Vliesen und ihre Luftdurchlässigkeit.
  • In den WO 02/20889 A2 , WO 2005/081226 A1 , WO 2009/140713 A1 und WO 2010/042993 A1 werden allgemein Absorber-Materialstrukturen mit senkrechter Faserorientierung und deren Herstellung beschrieben.
  • Auch finden vertikale Faserorientierungen als Einleger, insbesondere bei Sitzen / Sitzkissen Anwendung, siehe zum Beispiel WO 2012/019752 A1 und WO 2020/072412 A1 .
  • Die DE 11 2012 005 205 T5 (siehe auch WO 2013/088828 A1 , US 2014/0302285 A1 , US 9 321 412 B2 ) offenbart die Anwendung vertikaler Faserorientierungen bei Isolationen von Bodenverkleidungen in der Automobilindustrie; die US 2017/0008462 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang insbesondere die Anwendung als partielles Dämpfungselement.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik ist somit die Bereitstellung von mikroperforierten vernadelten Sandwich-Vliesstrukturen aus einem Kernvlies mit senkrechter Faserorientierung, bei dem zwischen die senkrecht orientierten Fasern anwendungs- und/oder eigenschaftsbedingt Streugut appliziert ist und dieses Kernvlies ein- oder beidseitig mit Vliesen, Geweben, Gewirken, Papier oder Folie vernadelt wird. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur in-line Herstellung derartiger Vliesstrukturen bereitzustellen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist in einer ersten Ausführungsform eine mikroperforierte vernadelte Sandwich-Vliesstruktur 1,
    mit einem Kernvlies 2 mit senkrechter Faserorientierung, umfassend PET und/oder PET/PP - Fasern und Bindefasern aus PE, PP und/oder BiCo-Faser (coPET), wobei das Kernvlies 2 ein- oder beidseitig mit Deck-Materialien 3a, 3b versehen ist
    dadurch gekennzeichnet ist, dass
    der Bereich zwischen den senkrecht orientierten Fasern des Kernvlieses 2 eingestreute gleiche oder verschiedene Füllmaterialien 4 aus Mahlgut, Fasern, Flocken und/oder Pulver enthält,
    wobei
    die Deck-Materialien 3a, 3b gleich oder verschieden sind und jeweils unabhängig voneinander ein Vlies, Gewebe, Gewirke, Papier oder Folie umfassen.
  • In der 1 wird eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen mikroperforierten vernadelten Sandwich-Vliesstrukturen 1 und deren prinzipielles Herstellungsverfahren dargestellt. Ein mechanisch oder aerodynamisch hergestelltes Vlies 6 wird dem Senkrechtleger 7 zugeführt und dabei die Fasern in einem Winkel von etwa 90° bis 45° aufgerichtet. Die somit „senkrechtgelegten“ Fasern werden Inline einer Streueinrichtung 8 zugeführt, die den Fasern Füllmaterialien 4 hinzufügt, die zwischen den vorgenannten Fasern gehalten werden. Der so erhaltene Vorformling wird anschließend einem Ofen 9 zugeführt, in dem die Struktur thermoverfestigt werden. Der so erhaltene Verbund wird anschließend einseitig-und oder beidseitig mit einem Deck-Material 3a, 3b versehen. In der sich daran anschließenden Vernadelungseinheit 10 wird dann der Gesamtverbund zu dem fertigen Endprodukt 1 vernadelt. In der 1 wird auch die bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der zusätzlich zu den Deck-Materialien 3a, 3b hier einseitig eine weitere Folie 5 zwischen den Kernvlies 2 und den Deck-Materialien 3a, 3b zugeführt wird. Die Folie 5 wird zusätzlich -zwischen Deck-Material 3a,3b und Kernvlies (2)- zugefahren, wenn akustische oder mechanische Eigenschaften beeinflusst werden sollen. Umfasst das Deckmaterial 3a,3b eine Folie, dann entfällt die zusätzliche Folie 5.
  • In der 2 wird eine Variante der Vorrichtung gemäß der 1 dargestellt. Das aus dem Senkrechtleger 7 erhaltene Vlies wird im Anschluss an den Durchlauf durch die Streueinrichtung 8 einem Walzenpaar 11 zugeführt und entsprechend komprimiert sowie gespreizt. Alternativ hierzu wird in der 3 eine Verfahrensvariante beschrieben, die zwei Walzenpaare 12,13 umfasst, wobei das Walzenpaar 12 stromaufwärts der Streueinrichtung 8 und das Walzenpaar 13 stromabwärts der Streueinrichtung angeordnet ist.
  • Aus dem Stand der Technik sind keine Vliesstrukturen bekannt, die basierend auf einer mechanischen oder aerodynamischen Vliesbildung eine senkrechte Faserorientierung mit vernadelten ein- oder beidseitigen Deckvliesen, Folien oder Papieren aufweisen. Des Weiteren findet man keine Darlegungen zum Einstreuen von unterschiedlichen Streugut zwischen die senkrechten Faserorientierungen. Verfahren und Anlagen zur Herstellung derartiger Vliesstrukturen sind ebenfalls nicht bekannt.
  • Neben der einseitigen Bedeckung des Kernvlieses 2 ist auch eine beidseitige Bedeckung desselben mit den oben genannten Deck-Materialen 3a,3b bevorzugt. Diese können dabei gleich oder verschieden sein, unterschiedliche Materialien, unterschiedliche Dicken, unterschiedliche Dichten, unterschiedliche Strömungswiderstände (Luftdurchlässigkeit) etc. aufweisen.
  • In einer weiteren Ausführungsform befindet sich ein- oder beidseitig zwischen dem Kernvlies 2 mit senkrechter Faserorientierung und den Deck-Materialien 3a, 3b weiterhin eine Folie 5; die ebenfalls durch die Vernadelung des Gesamtverbundes mikroperforiert ist. Materialien der Folie(n) umfassen insbesondere PE/PA/PE und PA/PE. Auch finden reine PE-Folien Anwendung. Die Folien 5 weisen im Wesentlichen eine Dicke im Bereich von 40 µm bis 180 µm auf. Sollte nur ein Folienvlies (PE/PA/PE + PET) als Deck-Material (3a,b) Anwendung finden, dann sind Dicken bis 450 µm bevorzugt. Das Flächengewicht der Vliese 3a,3b liegt vorzugsweise im Bereich von 60 bis 450 g/m2.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der mikroperforierten vernadelten Sandwich-Vliesstrukturen 1 (siehe 1), das es ermöglicht in-line einem Kernvlies 2 mit senkrechter Faserorientierung wenigstens einseitig ein Deck-Materialien 3a,3b zuzuführen und den Gesamtverbund zu vernadeln, ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Fasern eines mechanisch oder aerodynamisch gebildeten Vlieses 6 in einem Senkrechtleger 7 im Bereich von vorwiegend 90° und 45° orientiert,
    die orientierten Fasern/Faserlagen spreizt,
    mittels Streueinrichtung 8 Füllmaterialien 4 zwischen die senkrecht orientierten Fasern einstreut,
    die erhaltene Struktur in einem Ofen 9 thermoverfestigt,
    nach der Verfestigung ein- oder beidseitig Deck-Materialien 3a, 3b zuführt und
    den erhaltenen Verbund in einer Vernadelungseinheit 10 vernadelt.
  • Vorteilhaft ist, wenn der Ofen 9 mit zwei Transportbändern und zwei getrennten Antrieben ausgerüstet ist. Durch unterschiedliche Geschwindigkeiten des oberen und unteren Bandes kann die Dichtheit der orientierten Fasern/Faserlagen unabhängig voneinander eingestellt werden.
  • Des Weiteren ist von Vorteil, wenn im Ofen unterschiedliche Temperaturen (oben und unten) im Bereich von vorzugsweise 120 bis 180 °C einstellbar sind, beispielsweise durch spezielle Heißluftschlitzdüsen quer zur Durchlaufrichtung, die gegebenenfalls separat steuerbar sind. Insbesondere ist es von Vorteil, dass man somit die Eigenschaften des Faser-/Streugut-Verbunds über die Dicke beeinflussen kann.
  • Im Fokus ist hier hauptsächlich die Vernetzung der Materialien, nämlich die Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften Steifigkeit, Festigkeit und das Verarbeitungsverhalten in Folgeprozessen.
  • Die Spreizung der senkrecht (90°) bis 45° orientierten Fasern/Faserlagen erfolgt beispielsweise durch Anordnung eines Walzenpaares 11 in Durchlaufrichtung hinter der Streueinrichtung 8, also zwischen der Streueinrichtung 8 und dem Ofen 9 (siehe 2). Die Geschwindigkeit des Walzenpaares 11 kann variabel einstellbar und größer als die Arbeitsgeschwindigkeit des Senkrechtlegers 7.
  • Auch ist es möglich, mit zwei Walzenpaaren 12,13 zu arbeiten. Ein Walzenpaar 12 ist dabei in Durchlaufrichtung vor der Streueinrichtung 8 und ein Walzenpaar 13 nach der Streueinrichtung (vor dem Ofen 9) angeordnet (siehe 3). Beide Walzenpaare 12 und 13 können separat steuerbar sein.
  • Wesentliche Elemente der vorliegenden Erfindung sind eine mikroperforierte vernadelte Sandwich-Vliesstruktur, bei der akustische, mechanische und verarbeitungstechnische Eigenschaften zum einen durch das Einstreuen von eigenschaftsbeeinflussendem Streugut in senkrecht orientierte Fasern und zum anderen das Verfahren der einseitigen oder beidseitigen Vernadelung dieser Struktur mit Vliesen, Geweben, Gewirken, Papier oder Folie. Darüber hinaus stellt das in-line Verfahren zur Herstellung derartiger Sandwich-Vliesstrukturen, insbesondere durch die integrierte Streu-Anlage, und eben das Einstreuen von Streugut in vertikale Faserorientierungen eine Neuheit im Anlagensektor dar.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere in der in-line Herstellung von mikroperforierten vernadelten Sandwich-Vliesstrukturen mit (im Kern) senkrechter Faserorientierung; indem man zum einen durch die Faserorientierung, den Faser-Mix, die Faserfeinheit des Kernvlieses und des darin befindlichen Streugutes die akustischen, mechanischen und verarbeitungstechnischen Vlieseigenschaften (und damit letztlich der Bauteileigenschaften) und zum anderen durch das ein- oder beidseitige Vernadeln dieses, streugutgefüllten mit senkrecht orientierten Fasern gebildeten, Kernvlieses mit Vliesen, Geweben, Gewirken, Papier oder Folie zielgerichtet beeinflussen/einstellen (tunen) kann und damit neue, eigenschaftsoptimierte Sandwich-Vliesstrukturen bereitstellt.
  • Als Streugut zwischen den senkrecht orientierten Fasern des Kernvlieses mit senkrechter Faserorientierung finden unter anderem folgende Materialien Anwendung, die die folgenden Eigenschaften beeinflussen:
    • Akustik: Hohlfasern mit unterschiedlicher Querschnittsgeometrie, GF/BiCo/PET-Mahl-/Fasergut, Schaumflocken;
    • Wasseraufnahme: hydrophobierte Fasern (u.a. H-PET), GF/PP/BiCo-Mahl-/Fasergut;
    • Steinschlag: PP/PE-Mahl-/Fasergut;
    • Eisansammlung/-anhaftung: hydrophobierte Fasern (u.a. H-PET), PP/PET-Mahlgut;
    • Steifigkeit: Kohlenstofffasern, Naturfasern;
    • Temperaturbeständigkeit: PP/GF-Mahl-/Fasergut, Mineralfasern, Glasfasern (GF);
    • Brennverhalten: GF/Panox/PET/BiCo-Mahl-/Fasergut, Flammschutzmittel, flammschutzausgerüstete Faser, Mineralfasern, Glasfasern;
    • Reißfestigkeit: Aramidfasern.
  • Die erfindungsgemäßen Sandwich-Vliesstrukturen werden erfindungsgemäß durch Vernadelung mikroperforiert. Mikroperforation im Sinne der vorliegenden Erfindung wird definiert durch Lochdurchmesser im Bereich von 0,05 bis 2,4 mm.
  • Ausführungsbeispiel:
  • Beispiel 1:
  • Entsprechend dem erfindungsgemäßem Verfahren wurde einem handelsüblichen 500 g/m2 Vlies 2 mit senkrecht orientierten Fasern (65%PET/35%coPET), 50 g/m2 75%PP/25%PE-Mahl-/Fasergut 4 eingestreut, dieses beidseitig mit einem 80 g/m2 Nadelvlies (75%PET/25%PP) 3 vernadelt.
  • Nach der Verformung zu einer Radlaufschale wurden vergleichende Untersuchungen zu einer üblichen Radlaufschale, hergestellt mit herkömmlichem Vlies (800 g/m2 40%PP/30%PET/30%BiCo), gemacht. Es wurden deutliche Unterschiede hinsichtlich Biegesteifigkeit (10% Erhöhung), Steinschlagfestigkeit (in Durchschuss und Gewichtsverlust) sowie im Verformungsverhalten festgestellt.
  • Beispiel 2:
  • Entsprechend dem erfindungsgemäßem Verfahren,
    wurde einem 1300 g/m2 Vlies mit senkrecht orientierten Fasern (70%PET/30%coPET) 2, 100 g/m2 40%PP/30%PET/30%BiCo-Mahlgut 4 eingestreut und anschließend beidseitig mit 150 g/m2 Nadelvlies (75%PET/25%PP) 3 vernadelt. Auch hier zeigte sich nach der Verformung zu einem Unterbodenschild, im Vergleich zur herkömmlichen Unterbodenschild-Materialstrukturen, eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sandwich-Vliesstruktur
    2
    Kernvlies
    3a,3b
    Deck-Material
    4
    Füllmaterial
    5
    Folie
    6
    Vlies
    7
    Senkrechtleger
    8
    Streueinrichtung
    9
    Ofen
    10
    Vernadelungseinheit
    11
    Walzenpaar
    12
    Walzenpaar
    13
    Walzenpaar
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • WO 2013/088828 A1 [0007]
    • US 2014/0302285 A1 [0007]
    • US 9321412 B2 [0007]
    • US 2017/0008462 A1 [0007]

Claims (4)

  1. Mikroperforierte vernadelte Sandwich-Vliesstruktur (1), mit einem Kernvlies (2) mit senkrechter Faserorientierung, umfassend PET und/oder PET/PP - Fasern und Bindefasern aus PE, PP und/oder BiCo-Faser (coPET), wobei das Kernvlies (2) ein- oder beidseitig mit Deck-Materialien (3a,3b) versehen ist dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bereich zwischen den senkrecht orientierten Fasern des Kernvlieses (2) eingestreute gleiche oder verschiedene Füllmaterialien (4) aus Mahlgut, Fasern, Flocken und/oder Pulver enthält, wobei die Deck-Materialien (3a,3b) gleich oder verschieden sind und jeweils unabhängig voneinander ein Vlies, Gewebe, Gewirke, Papier oder Folie umfassen.
  2. Sandwich-Vliesstruktur (1) nach Anspruch 1, umfassend eine Folie (5) zwischen dem Kernvlies (2) und den Deck-Materialien (3a,3b).
  3. Verfahren zur Herstellung von Sandwich-Vliesstrukturen (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei man in-line die Fasern eines mechanisch oder aerodynamisch gebildeten Vlieses (6) in einem Senkrechtleger (7) im Bereich von vorwiegend 90° und 45° orientiert, die orientierten Fasern/Faserlagen spreizt, mittels Streueinrichtung (8) Füllmaterialien (4) zwischen die senkrecht orientierten Fasern einstreut, die erhaltene Struktur in einem Ofen (9) thermoverfestigt, nach der Verfestigung ein- oder beidseitig Deck-Materialien (3a, 3b) zuführt und den erhaltenen Verbund in einer Vernadelungseinheit (10) vernadelt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die senkrecht orientierten Fasern des Kernvlieses (2) durch Walzenpaare (11, 12, 13) spreizt, die (a) vor (12) und nach (13) der Streueinrichtung (8) oder (b) nach der Streueinrichtung (8) durch ein Walzenpaar (11) angeordnet sind, wobei die Walzenpaare (11, 12, 13) gegebenenfalls separat steuerbar sind.
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