DE10228191A1 - Production of formed parts from thermoplastic with a high wood fibre content, e.g. hat racks, door panels or sports equipment, involves processing the plastic-fibre mixture in an extruder and compression-moulding the extrudate - Google Patents

Production of formed parts from thermoplastic with a high wood fibre content, e.g. hat racks, door panels or sports equipment, involves processing the plastic-fibre mixture in an extruder and compression-moulding the extrudate Download PDF

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Abstract

A method for the production of formed parts consisting of thermoplastic (I) with a filler content of at least 60 wt% involves using lignocellulose fibres as filler, mixing the fibres with (I), processing in an extruder and compression-moulding the extruded mixture in a suitable mould.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Bauteilen, die aus einer thermoplastischen Matrix und 60% bis 98% Lignocellulosefasern bestehenThe invention relates to a method for the production of plastic components made of a thermoplastic Matrix and 60% to 98% lignocellulose fibers exist

Es ist bekannt, Kunststoffformkörper mit hohem Faseranteil herzustellen. Mittels Extrusions-, Press- oder Spritzgießverfahren werden dabei Bauteile aus Polymeren als Matrix in Verbindung mit Fasern als Füllstoff oder zur Verstärkung gefertigt. Für hochfeste Bauteile werden im wesentlichen Glas- oder Kohlefasern eingesetzt. Im Bereich der hochgefüllten naturfaserverstärkten Kunststoffe sind Bauteile für den Automobilinnenraum bekannt, wobei diese häufig aus Duromeren und Naturfasern im Pressverfahren hergestellt werden. Auch Holzfasern in Verbindung mit Polypropylen werden im Automobilbereich immer häufiger eingesetzt. Der maximale Holzfaseranteil im Extrusionsverfahren bei der Fertigung von Platten und Halbzeugen liegt hier bei 50%. Weitere Anwendungen sind auch im Landschaftsbau und in der Möbel-Industrie zu finden, wobei hier mit steigendem Füllgrad die Faser-Matrix-Haftung und damit Qualität und Festigkeit der Bauteile reduziert wird.It is known to use plastic moldings high fiber content. By means of extrusion, pressing or injection molding are components made of polymers as a matrix in connection with Fibers as a filler or for reinforcement manufactured. For high strength Components are mainly used in glass or carbon fibers. In the field of highly filled natural fiber reinforced Plastics are components for the automobile interior is known, these often made of thermosets and natural fibers be produced in the pressing process. Also wood fibers combined with polypropylene are used more and more in the automotive sector. The maximum proportion of wood fiber in the extrusion process in the manufacture of Sheets and semi-finished products are around 50%. Other uses are also found in landscaping and in the furniture industry, whereby here with increasing degree of filling the fiber matrix adhesion and thus the quality and strength of the components is reduced.

Die Füllgrade beim Extrusions- und Spritzgießprozess sind begrenzt. Mit konventionellen Extrusionswerkzeugen lassen sich nur maximale Füllgrade von ca. 50% Naturfaseranteil erreichen.The filling levels for extrusion and injection molding are limited. With conventional extrusion tools only maximum fill levels 50% natural fiber content.

Eine vollständige Formgebung bei höheren Füllgraden lässt sich nur unter Einsatz spezieller Extrusionswerkzeuge erzielen. DE 199 34 871 beschreibt eine Ausführung eines Extrusionswerkzeuges zur Formgebung von Polymeren mit ca. 90% Holzfaseranteil.Complete shaping at higher fill levels can only be achieved using special extrusion tools. DE 199 34 871 describes an embodiment of an extrusion tool for shaping polymers with approx. 90% wood fiber content.

Problematisch ist ebenfalls die Vormischung und Zusammensetzung der Werkstoffkomponenten. DE 198 52 067 beschreibt die Zusammensetzung naturfaserverstärkter Kunststoffe unter Einsatz von Hanffasern, und US 76685 beschreibt ein Verfahren welches das Vormischen und die anschließende Extrusion holzgefüllter Thermoplaste mit Füllstoffgehalten bis zu 75% beeinhaltet.The premixing and composition of the material components is also problematic. DE 198 52 067 describes the composition of natural fiber reinforced plastics using hemp fibers, and US 76685 describes a process which includes the premixing and subsequent extrusion of wood-filled thermoplastics with filler contents up to 75%.

Die Haftung zwischen Naturfasern und Matrixpolymer wird bei der Verbindung von Thermoplasten und Naturfasern auch durch Zugabe von Silanen, Maleinsäureanhydrid oder Isocyanaten und dimeren Alkyketen gesteigert. Bei Maleinsäureanhydrid reagiert die Anhydridgruppe mit den Hydroxylgruppen der Cellulosefasern. So wird eine unpolare Bindung an die Faser angebracht, die wiederum in einer unpolaren Kunststoff-Matrix löslich ist und damit die Haftfestigkeit erhöht. Die aktuellen Verfahren zur Erzielung hoher Füllgrade bei Naturfaser-gefüllten Kunststoffen und eine Gewährleistung der Faser-Matrixhaftung ist jedoch mit einem hohen Aufwand an Zeit, Energie und Kosten verbunden. Insbesondere werden die Naturfasern aufwendig getrocknet und häufig chemisch mit Bakteriziden und Fungiziden behandelt.Liability between natural fibers and matrix polymer is used in the connection of thermoplastics and Natural fibers also by adding silanes, maleic anhydride or increased isocyanates and dimeric alkyls. For maleic anhydride the anhydride group reacts with the hydroxyl groups of the cellulose fibers. So a non-polar bond is attached to the fiber, which in turn is soluble in a non-polar plastic matrix and thus the adhesive strength elevated. The current processes for achieving high fill levels for plastics filled with natural fibers and a guarantee The fiber-matrix adhesion, however, requires a great deal of time, energy and associated costs. In particular, the natural fibers are expensive dried and often chemically treated with bactericides and fungicides.

Der Einsatz von Pressverfahren, wie sie häufig für naturfaserverstärkte Duroplaste eingesetzt werden, zeichnet sich durch hohe Taktzeiten und eine Begrenzung in der Formgebung aus. Im Extrusionsverfahren lassen sich mit speziellen Werkzeugen Werkstoffe mit Holzfaseranteil von über 90% herstellen, hierbei handelt es sich jedoch um Profile oder Halbzeuge, die ebenfalls nur eine begrenzte Formgebung zulassen. Formteile mit Naturfaseranteilen über 50% lassen sich im Spritzgießverfahren bislang nur mit erhöhtem Aufwand und unter Einsatz von Haftvermittlern zur Vorbehandlung der Fasern zur Erhöhung der Faser-Matrix-Haftung herstellen.The use of pressing processes, such as them often for natural fiber reinforced thermosets used, is characterized by high cycle times and a Limitation in shape. Leave in the extrusion process materials with wood fiber content of over 90% manufacture, but these are profiles or semi-finished products, which also only allow a limited shape. moldings with natural fiber content over 50% can be injection molded so far only with increased Effort and using adhesion promoters for pretreatment of fibers to increase of fiber-matrix adhesion.

Neue Verfahren zum Aufschluss und Separieren von Lignocellulosefasern in die Bestandteile Lignin und Cellulose können zur Aufbereitung und Gewinnung verschiedener Faserbestandteile wie beispielsweise Lignin herangezogen werden, die im Anschluss eine thermoplastische Weiterverarbeitung ermöglichen; jedoch sind hier ebenfalls aufwendige Prozessschritte notwendig.New methods of digestion and Separation of lignocellulosic fibers into the components lignin and Cellulose can for the preparation and extraction of various fiber components such as Lignin can be used, which is followed by a thermoplastic Enable further processing; however, complex process steps are also necessary here.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Prozess bereitzustellen, mit dem kostengünstige, qualitativ hochwertige Formteile mit hoher Festigkeit herstellbar sind, die aus thermoplastischen Kunststoffen in Verbindung mit einem Lignocellulosefaseranteil von 60% bis zu 98% bestehen, wobei vorzugsweise Holzfasern und Polypropylen eingesetzt werden.The invention is therefore the object to provide a process that enables low-cost, high-quality molded parts with high strength can be produced are made of thermoplastic materials in connection with a Lignocellulosic fiber content from 60% up to 98%, with preference Wood fibers and polypropylene are used.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht aus einem Verfahren, bei dem die Aufbereitung über eine Extrusionslinie läuft, in der lignocellulosefaser-gefüllte Thermoplaste mit einem Füllstoffgehalt größer 60 Gewichtsprozent aufbereitet und nachfolgend in einem formgebenden Werkzeug verpresst werden.The solution according to the invention consists of a method where the preparation is over an extrusion line is running, in the lignocellulose fiber-filled Thermoplastics with a filler content greater than 60 percent by weight processed and subsequently pressed in a shaping tool become.

Diese Verfahrensschritte sind sowohl im Spritzgießverfahren, Strangablegeverfahren und gängigen Pressverfahren aufbereiteter und ggf. vorgewärmter extrudierter Halbzeuge möglich.These process steps are both in the injection molding process, Strand laying process and common Pressing process of prepared and, if necessary, preheated extruded semi-finished products possible.

Ein Feuchtigkeitsanteil der Lignocellulosefasern zwischen 2 und 8%, vorzugsweise 4 Gewichtsprozent, bewirkt nicht nur eine verbesserte Anbindung der Fasern an die Polymermatrix sondern verbessert insbesondere die Gleiteigenschaften während des Extrusionsvorganges.A moisture component of the lignocellulose fibers between 2 and 8%, preferably 4% by weight, does not work only an improved connection of the fibers to the polymer matrix but improves especially the sliding properties during the extrusion process.

Die Extrusionsdrücke können für eine schonende Aufbereitung zwischen 40 und 450 bar liegen, vorzugsweise liegen sie im Bereich um 100 bar und werden über Planetwalzenextruder realisiert. Die Pressdrücke für die endgültige Formgebung hingegen sind wesentlich für die Bauteilfestigkeit und müssen entsprechend höher zwischen 10 bar und 5000 bar, vorzugsweise im Bereich um 1000 bar, liegen.The extrusion pressures can be used for gentle preparation are between 40 and 450 bar, preferably in the range around 100 bar and are about Planetary roller extruder realized. The pressures for the final shaping, however, are essential for the component strength and must accordingly higher between 10 bar and 5000 bar, preferably in the range around 1000 bar, lie.

Die Fertigung von Verbundbauteilen ist im Pressverfahren möglich. So können weitere Verbundpartner vorzugsweise aus dem gleichen Grundwerkstoff wie die Polymermatrix in geschäumter und ungeschäumter Ausführung mit verpresst werden. Ein kostengünstiger lignocellulosegefüllter Grundkörper kann somit mit weichen geschäumten und/oder textilen Dekorwerkstoffen in einem Fertigungsgang gefertigt werden.The production of composite components is possible using the pressing process. For example, other composite partners can preferably be molded from the same base material as the polymer matrix in a foamed and unfoamed version. An inexpensive lignocellulose-filled base body can thus be foamed with soft and / or textile decorative materials are manufactured in one production step.

Eine vorteilhafte Variante ist der Einsatz von Lignocellulosefasern mit einer Feuchte der Fasern größer 3% und Drücken um 1000 bar beim Pressvorgang und 100 bar beim vorhergehenden Aufbereitungsverfahren. Über die Feuchtigkeit der Holzfasern in Verbindung mit einem Überdruck kann ein Aufschluss der Fasern und damit eine zumindest teilweise Separation des Lignin-Anteils der Naturfasern und eine anschließende bessere Benetzbarkeit unterstützt werden.An advantageous variant is the Use of lignocellulosic fibers with a moisture content of the fibers greater than 3% and To press around 1000 bar during the pressing process and 100 bar during the previous preparation process. About the Moisture of the wood fibers combined with overpressure can disintegrate the fibers and thus at least partially Separation of the lignin portion of the natural fibers and a subsequent better one Wettability supported become.

Eine Zugabe von Haftvermittlern wie Silane, Anhydride, Isocyanate oder Alkyten während des Prozesses oder ein Vorbehandeln der Fasern mit Haftvermittlern und/oder Copolymerisation mit einem unpolaren Polymer, vorzugsweise Polyolefin, bewirkt eine Reaktion mit den Hydroxylgruppen der Cellulosefasern und damit eine bessere Löslichkeit und erhöhte Faser-Matrixhaftung.An addition of adhesion promoters such as Silanes, anhydrides, isocyanates or alkytes during the process or one Pretreat the fibers with adhesion promoters and / or copolymerization with a non-polar polymer, preferably polyolefin, causes Reaction with the hydroxyl groups of the cellulose fibers and thus a better solubility and increased Fiber-matrix adhesion.

Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist in erster Linie die Möglichkeit, Bauteile mit hohem Anteil an Lignocellulosefasern, vorzugsweise Holzfasern, im Strangablegeverfahren herzustellen, die wesentlich preisgünstiger als reine Holzbauteile oder auch reine Kunststoffbauteile sind. Die Formgebung der Bauteile ist über die Werkzeuggestaltung nahezu beliebig wählbar, womit im Vergleich zu massiven Holzformteilen eine rationelle Fertigung von Bauteilen ohne Nachbearbeitung ermöglicht wird. Die hochgefüllten Kunststoffe zeichnen sich durch ähnliche Eigenschaften wie Holz aus, weisen eine hohe Festigkeit auf und sind vor allem als preiswerte Alternative zu Massivholzteilen zu sehen. Auf diese Weise können Bauteile wie Hutablagen, Sonnenblenden, Säulenverkleidungen, Türseitenverkleidungen, Instrumententafeln, Sport- und Freizeitgeräte etc. gefertigt werden. Die Einbringung von dekorativen oder funktionellen Werkstoffen zum steifigkeitsgebenden holzgefüllten Thermoplasten in das formgebende Werkzeug ist dabei besonders vorteilhaft umsetzbar.Advantageous with this procedure is primarily the opportunity Components with a high proportion of lignocellulose fibers, preferably Wood fibers, in the strand laying process, which are much cheaper are as pure wooden components or also pure plastic components. The shape of the components is over the tool design can be chosen almost arbitrarily, which is compared to massive molded wood parts an efficient production of components enabled without post-processing becomes. The highly filled plastics are characterized by similar ones Properties like wood, have a high strength and are primarily an inexpensive alternative to solid wood parts see. In this way, components such as hat racks, sun visors, pillar coverings, Door panels, Instrument panels, sports and leisure equipment, etc. are manufactured. The Introduction of decorative or functional materials to provide stiffness wood-filled Thermoplastics in the shaping tool are particularly advantageous implemented.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Einem Polypropylen-Granulat oder -pulver werden vorzugsweise 60–98 Gewichtsprozent Holzfasern mit einer Feuchte von 2–10% zugegeben. Die Mischung wird über manuelles Vormischen oder über vorgemischte Pellets oder durch Dosiereinrichtungen bzw. für die Faserzugabe über eine Zwangszuführung in einem Planetwalzenextruder erreicht. Das Extrudat wird nachfolgend in ein Presswerkeug eingegeben und ggf mit weiteren Verbundpartnern wie Dekormaterialien verpresst.A polypropylene granulate or powders are preferably 60-98 Weight percent wood fibers with a moisture of 2-10% added. The mixture is over manual premixing or via premixed Pellets or by dosing devices or for fiber addition via a forced feeding achieved in a planetary roller extruder. The extrudate is as follows entered into a press tool and, if necessary, with other network partners like decorative materials pressed.

Claims (20)

Verfahren zur Herstellung lignocellulosefaser-gefüllter Thermoplasten dadurch gekennzeichnet, dass Kunststoff-Bauteile mit einem Füllstoffgehalt größer 60 Gewichtsprozent hergestellt werden. Characterized A process for preparing lignocellulosic fiber-filled thermoplastics that plastic components are produced with a filler content greater than 60 weight percent. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mittels Strangablegeverfahren die lignocellulosefaser-gefüllten Thermoplaste aufbereitet und verpresst werden.A method according to claim 1, characterized in that by means of Strand laying process of the lignocellulosic fiber-filled thermoplastics processed and pressed. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mittels Spritzgießverfahren lignocellulosefaser-gefüllte Thermoplaste aufbereitet und verpresst werden.A method according to claim 1, characterized in that by means of injection molding lignocellulosic fiber filled Thermoplastics are processed and pressed. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mittels Pressverfahren Halbzeuge aus extrudierten, lignocellulosefaser-gefüllten Thermoplaste aufbereitet und verpresst werden.A method according to claim 1, characterized in that by means of Pressing process Semi-finished products made of extruded, lignocellulosic fiber-filled thermoplastics processed and pressed. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung der lignocellulosefaser-gefüllten Thermoplaste über einen Planetwalzenextruder erfolgt.Method according to one or more of the preceding claims characterized that the processing of the lignocellulose fiber-filled thermoplastics via a Planetary roller extruder takes place. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung und Förderung der lignocellulosefaser-gefüllten Thermoplaste über einen Extruder und/oder eine Zahnradpumpe erfolgt.Method according to one or more of the preceding claims characterized that the processing and conveyance of the lignocellulose fiber-filled thermoplastics via a Extruder and / or a gear pump takes place. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Extrusionsdrücke zwischen 40 und 450 bar liegen, vorzugsweise im Bereich um 100 bar.Method according to one or more of the preceding claims characterized in that the extrusion pressures are between 40 and 450 bar, preferably around 100 bar. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pressdrücke zwischen 10 bar und 5000 bar liegen, vorzugsweise im Bereich um 1000 bar.Method according to one or more of the preceding claims characterized that the pressing pressures are between 10 bar and 5000 bar, preferably in the range around 1000 bar. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass weitere Verbundpartner beim Pressverfahren, vorzugsweise aus dem gleichen Grundwerkstoff wie die Polymermatrix, in geschäumter und ungeschäumter Ausführung mit verpresst werden.Method according to one or more of the preceding claims characterized that other network partners in the pressing process, preferably made of the same basic material as the polymer matrix, in foamed and unfoamed execution be pressed with. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lignocellulosefasern einen Feuchtigkeitsanteil zwischen 2 und 8% beinhalten, vorzugsweise 4 Gewichtsprozent.Method according to one or more of the preceding claims characterized in that the lignocellulosic fibers have a moisture content contain between 2 and 8%, preferably 4% by weight. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Verarbeitungsdruck über einen externe Komprimierung oder im Düsenbereich einer modifizierten Schnecken-Zylindereinheit erzeugt wird.Method according to one or more of the preceding claims characterized that the processing pressure via an external compression or in the nozzle area a modified screw-cylinder unit is generated. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lignocellulosefasern und Thermoplaste vorgemischt sind und das Compound in Form von Pellets zugeführt wird.A method according to one or more of the preceding claims net that the lignocellulose fibers and thermoplastics are premixed and the compound is supplied in the form of pellets. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lignocellulosefasern und Thermoplaste unter Druck-, Temperatur- und Wassereinwirkung vorgemischt sind und das Compound in Form von Pellets zugeführt wird.Method according to one or more of the preceding claims characterized that the lignocellulosic fibers and thermoplastics under Pressure, temperature and water exposure are premixed and that Compound is supplied in the form of pellets. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material ein Polyolefin, insbesondere ein Polypropylen ist.Method according to one or more of the preceding claims characterized in that the thermoplastic material is a polyolefin, is in particular a polypropylene. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lignocellulosefasern im wesentlichen Holzfasern sind.Method according to one or more of the preceding claims characterized in that the lignocellulosic fibers are essentially wood fibers are. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Tauchkantenwerkzeug eingesetzt wird welches bei geöffnetem Spalt befüllt wird und anschließend mechanisch bzw. hydraulisch durch Schließen des Werkzeuges den notwendigen Druck erzeugt bzw. regelt.Method according to one or more of the preceding claims characterized that a plunge edge tool is used which when open Gap filled and then mechanically or hydraulically by closing the tool the necessary Pressure creates or regulates. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Haftvermittler aus der Gruppe der Silane, Maleinsäureanhydride, Isocyanate und/oder dimeren Alkyketen zugegeben werden.Method according to one or more of the preceding claims characterized that adhesion promoters from the group of silanes, maleic anhydrides, Isocyanates and / or dimeric alkyls are added. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lignocellulosefasern mit Haftvermittler modifiziert sind.Method according to one or more of the preceding claims characterized in that the lignocellulose fibers modified with adhesion promoter are. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Copolymerisate bestehend aus Haftvermittlern und Polyolefinen eingesetzt werden.Method according to one or more of the preceding claims characterized that copolymers consisting of adhesion promoters and polyolefins are used. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet dass ein poröses Werkzeugmaterial verwendet wird, welches ein Entgasen der Restfeuchte ermöglicht.Method according to one or more of the preceding claims characterized that a porous Tool material is used, which degasses the residual moisture allows.
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