DE10335139A1

DE10335139A1 - Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen sowie mit dem Verfahren herstellbare Leichtbauprofile

Info

Publication number: DE10335139A1
Application number: DE10335139A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Gehrmann; Steffen Meinicke; Michael Dr. Busch; Rainer Starke; Günther Wilczek; Frank Nagel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24
Also published as: WO2005012399A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff sowie mit dem Verfahren herstellbare Leichtbauprofile. Bei dem Verfahren werden Fasern mit einem Thermoplast zu dosierfähigen Faser-Agglomeraten verarbeitet und die Faser-Agglomerate zur Formung des Leichbauteils extrudiert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Fasern Celluloseregeneratfasern eingesetzt werden, die als Stapelfaser bereitgestellt und zu den Faser-Agglomeraten verarbeitet werden. DOLLAR A Das vorliegende Verfahren ermöglicht die Herstellung von Leichtbauteilen bei einem im Vergleich zu Leichtbauteilen aus Glasfaser-Verbunden geringeren Gewicht bei gleichen oder besseren mechanischen Kennwerten.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff, bei dem Fasern mit einem Thermoplast zu dosierfähigen Faser-Agglomeraten verarbeitet werden und die Faser-Agglomerate zur Formung des Leichtbauteils extrudiert werden. Die Erfindung betrifft ferner Leichtbauprofile, die mit dem Verfahren herstellbar sind.

Faserverbundwerkstoffe, so genannte Komposite, werden in zunehmendem Maße als Ersatz für Holz bei der Herstellung von flächigen Bauteilen eingesetzt. So gibt es bereits einen großen Markt für sogenannte Decking-Materialien, die im Bereich des Gebäudebaus zum Einsatz kommen. Die Faserverbundwerkstoffe setzen sich dabei im Wesentlichen aus einem Thermoplast zusammen, in den faserartige Füllstoffe zur Verstärkung eingebracht sind. Die Konsistenz der faserartigen Füllstoffe hat erwartungsgemäß einen großen Einfluss auf mechanische Kennwerte des aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteils. Beispiele für mechanische Kennwerte sind Zug- und Biegeeigenschaften sowie die Schlagzähigkeit.

Stand der Technik

Für hochbelastbare Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff auf Basis eines Thermoplasten sind Glasfasern heutzutage noch immer das gebräuchlichste Verstärkungsmaterial. Zunehmend werden an Stelle von Glasfasern jedoch auch organische Fasermaterialien, beispielsweise aus Holz oder Einjahrespflanzen, zur Verstärkung der Thermoplaste eingesetzt. Diese Füllstoffe führen zu einer verbesserten Recyklier- bzw. Entsorgbarkeit der Verbundwerkstoffe, durch das geringere Gewicht der organischen Fasern im Vergleich zu Glasfasern zu einer Gewichtseinsparung bei den Bauteilen und durch die geringere Abrasivität zu deutlich verbesserten Standzeiten der Verarbeitungsmaschinen für die Herstellung der Bauteile.

So ist beispielsweise in der EP 1172404 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff angegeben, bei dem faserartige Partikel aus einem Holzmaterial, insbesondere aus Weich- oder Hartholz, mit einem Thermoplast vermischt werden, um ein Basismaterial für die Herstellung des Leichtbauteils zu erhalten. Aus der WO 97/30838 A1 ist es bekannt, ein natürliches Cellulose-Fasermaterial mit dem Thermoplast zu vermischen und diese Mischung direkt zum Bauteil zu extrudieren. Die WO 02/083824 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem Thermoplast, dem Cellulosefasern aus Holz oder anderen pflanzlichen Produkten beigemischt werden.

Den positiven Effekten beim Einsatz von organischen Fasermaterialien als Füllstoffe stehen allerdings bisher schlechtere mechanische Kennwerte dieser Verbundmaterialien im Vergleich zu Glasfaser-Verbundwerkstoffen gegenüber. Höhere Füllgrade der Verbundmaterialien im Vergleich zu Glasfaser-Verbunden verbessern zwar die mechanischen Kennwerte, verringern jedoch den Vorteil der Gewichtseinsparung. Ein weiteres Risiko beim Einsatz von Naturfasern, wie beispielsweise Flachs oder Hanf, liegt in der schwankenden Qualität der zur Verfügung stehenden Produkte. Das Verstärkungspotential der Fasern wird u.a. durch Herkunft, klimatische Bedingungen und die verschiedenen Faser-Gewinnungstechnologien beeinflusst. Grundsätzlich ist die Verwendung von Fasern mit einem größeren Aspektverhältnis hinsichtlich der mechanischen Kennwerte zwar von Vorteil, allerdings lassen sich derart lange Fasern bisher nicht oder nur unter erheblichem Aufwand mit einem Thermoplast extrudieren, so dass in der Regel lediglich kürzere Fasern oder Faserpartikel als Füllstoffe eingesetzt werden. Aufgrund der genannten Nachteile der Verbundmaterialien mit organischen Verstärkungsfasern werden diese heutzutage nur in Bauteilen mit geringen mechanischen Ansprüchen, wie Türverkleidungen oder Hutablagen im Automobilbau, verwendet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen anzugeben, die gegenüber Bauteilen aus Glasfaser-Verbundwerkstoffen ein geringeres Gewicht sowie vergleichbare oder bessere mechanische Kennwerte aufweisen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 16 gibt ein Leichtbauprofil an, das die gewünschten Eigenschaften aufweist und mit dem Verfahren herstellbar ist.

Beim vorliegenden Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff werden die Fasern mit einem Thermoplast zu dosierfähigen Faser-Agglomeraten verarbeitet und die Faser-Agglomerate zur Formung des Leichtbauteils extrudiert. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Fasern Celluloseregeneratfasern eingesetzt werden, die als Faser-Kurzschnitt bereitgestellt und zu den Faser-Agglomeraten verarbeitet werden.

Durch den vorliegenden Einsatz von synthetischen Cellulosefasern, die maßgeschneidert herstellbar sind, lassen sich hochbelastbare Formteile aus dem Faserverbundwerkstoff herstellen, die in ihren mechanischen Kennwerten dem Vergleich mit Glasfaser-Verbunden standhalten und dabei zusätzliche Vorteile wie Recyklierbarkeit, Gewichtsreduzierung und geringere Abrasivität an den Ausrüstungen bei der Herstellung zeigen. Die hierbei eingesetzten Celluloseregeneratfasern weisen aufgrund ihres Herstellungsprozesses reproduzierbare Eigenschaften auf. Sie sind kommerziell in verschiedenen definierten Qualitäten verfügbar und werden bisher in anderen technischen Bereichen eingesetzt, insbesondere zu Reifencord verarbeitet. Die beim Herstellungsprozess aus den entsprechenden Lösungen versponnenen Fasern zeichnen sich gegenüber Glasfasern vor allem durch eine 5- bis 6-fach höhere Reißdehnung aus, so dass bei Einbindung dieser Fasern in Verbundmaterialien neue vorteilhafte Eigenschaften erzielt werden können. Cellulose regeneratfasern sind kommerziell als Rovings (Endlosfaserfilament) oder als sogenannter Faser-Kurzschnitt mit unterschiedlichen Schnittlängen verfügbar. Ein grundsätzliches Problem bei längeren Fasern stellt deren Verarbeitbarkeit in einem Extruder dar. Beim vorliegenden Verfahren wird dieses Problem durch den Einsatz von Stapelfasern gelöst, die sich überraschenderweise durch Agglomerierung in eine dosierbare Form überführen lassen, ohne die für die Verstärkungswirkung notwendige Fasergeometrie zu beeinträchtigen oder die mechanischen Kennwerte durch thermische Schädigung zu reduzieren. Dabei wurde herausgefunden, dass sich die Celluloseregeneratfasern mit einem Thermoplast vorteilhaft in einem zweistufigen Verfahren zu rieselfähigen Agglomeraten verarbeiten lassen, ohne dass sich die Faserstruktur ändert. Die Faser-Agglomerate können dann problemlos zu einem homogenen Faser-Schmelzegemisch in einem Extruder erhitzt und mit den speziellen Werkzeugen zu den gewünschten Leichtbauteilen geformt werden.

Vorzugsweise werden die Fasern und der Thermoplast in einem Heißmischer mit einem speziellen Werkzeug in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:10, vorzugsweise 1:5 bis 1:3 bei langsamer Aufheizung, d.h. 10–16 grd/min, gemischt. Entscheidend ist der durch zunehmende Friktion erzeugte abschließende schnelle Temperaturanstieg auf 150 bis 180°C, durch den der Thermoplast in eine Schmelze übergeht und die Fasern umhüllt. Zu lange Verweilzeiten der Fasern bei Temperaturen > 150°C sollten hierbei vermieden werden, um eine thermische Schädigung der Fasern auszuschließen.

In einem zweiten, nachfolgenden Schritt wird das entstandene Komposit bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens unmittelbar danach in einem Kühlmischer auf eine Temperatur von 80 bis 20°C, vorzugsweise auf 50 bis 30°C abgekühlt, wobei sich das Thermoplast verfestigt und das rieselfähige Agglomerat entsteht. Die Konstruktion und Arbeitsweise der eingesetzten Mischer gewährleistet, dass möglichst geringe Scherkräfte auf die Fasern wirken und somit die Fasern mit ihrem hohen Verstärkungspotential während der Agglomerierung nicht zerstört werden.

Die erhaltenen dosierfähigen Celluloseregeneratfaser-Agglomerate werden anschließend zur Formung des Leichtbauteils in einem Extruder extrudiert. Auch der Extruder ist so ausgelegt, dass eine gute Dispergierung der eingetragenen Materialien bei geringst möglichen Scherkräften erfolgt, um die Fasern nicht durch Scherung zu zerkleinern. Die Werkzeuggeometrie ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sich die in das Thermoplast eingebrachten Verstärkungsfasern bevorzugt in Extrusionsrichtung ausrichten. Dabei wird eine hohe Verstärkungswirkung in Längsrichtung erzielt, die es ermöglicht, die erforderlichen Wanddicken des Bauteils auf ein Minimum von 1 bis 2 mm zu reduzieren. Damit wird eine wesentliche Voraussetzung für ein reduziertes Flächengewicht im Vergleich zu Profilen mit Wandstärken von 3 bis 4 mm geschaffen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können Thermoplaste eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in den eingangs genannten Druckschriften WO 97/30838 A1 und WO 02/083824 A1 angeführt sind. Insbesondere sind Poly olefine, Polyvinylchlorid, Polyester oder Polystyren, vorzugsweise aber Polyolefine und bevorzugt Polypropylen oder Polyethylen für das vorliegende Verfahren geeignet. Auch Recyclingmaterial der genannten Stoffe ist nutzbar. Die Auswahl der Polyolefine muss so erfolgen, dass eine ausreichende und schnelle Wärmeerzeugung durch Friktion erreicht wird und dass die Schmelze die Fasern vollständig umhüllt. Obwohl anzunehmen ist, dass die vollständige Umhüllung gerade mit niederviskosen Thermoplasten erreicht wird, wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich das vorliegende Verfahren besonders vorteilhaft mit hochviskosem Polypropylen mit Schmelzindizes (MFI) von 0,1 bis 10,0 g/10min, vorzugsweise von 0,5 bis 3,0 g/10 min, durchführen lässt. Überraschenderweise wurde weiterhin festgestellt, dass sich die Verwendung von Polypropylenpulvern vorteilhaft auf eine anforderungsgerechte Agglomerierung auswirkt. Die notwendige Verarbeitungstemperatur wurde deutlich schneller erreicht, so dass die thermische Belastung der Fasern minimiert werden konnte. Der Einsatz dieser Thermoplasten führt zu Leichtbauteilen mit sehr guten mechanischen Kennwerten.

Um das Verstärkungspotential der Fasern vollständig nutzen zu können, sollten auch Haftvermittler, wie sie beispielsweise in der WO 02/083824 A1 genannt sind, eingesetzt werden. Diese Haftvermittler lagern sich an der Grenzfläche von Faser zu umhüllendem Thermoplast an und führen aufgrund ihrer Funktionalität zu festen chemischen und/oder physikalischen Bindungen, durch die eine verbesserte Übertragung der auf das Bauteil einwirkenden Kräfte auf die Celluloseregenerat fasern ermöglicht wird. Bewährte Haftvermittler sind carboxylierte Polyolefine. Bevorzugt werden beim vorliegenden Verfahren mit Acrylsäure- oder Maleinsäureanhydrid gepfropfte Polyolefine als Haftvermittler eingesetzt. Diese Haftvermittler werden vorzugsweise in Konzentrationen von 0,5 bis 5% Massenanteil, insbesondere im Bereich von 1 bis 3% Massenanteil des Komposits zugegeben. Die Fasergehalte betragen bevorzugt 10 bis 50% Massenanteil, insbesondere 20 bis 30% Massenanteil des Komposits.

Die mit dem vorliegenden Verfahren hergestellten Leichtbauprofile zeichnen sich bei gleichem Faseranteil gegenüber Glasfaser-verstärktem Material bei ähnlicher Zugfestigkeit vor allem durch eine höhere Schlagzähigkeit aus. Verbunden mit dem geringeren Gewicht, der Recyklierbarkeit und besseren Verarbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Komposite aus Thermoplast und Celluloseregeneratfaser ergeben sich daraus neue Möglichkeiten, glasfaserverstärkte Kunststoffe durch diese Materialien auch in hochwertigen Einsatzfeldern zu ersetzen. Die mit dem vorliegenden Verfahren herstellbaren Leichtbauprofile weisen ein Flächengewicht von 1 bis 8 kg/m², vorzugsweise 2 bis 5 kg/m² und Steg- und Gurtbreiten von 1 bis 3 mm, vorzugsweise von 1 bis 1,5 mm auf. Die hierbei eingesetzten Faser-Kurzschnitte weisen bevorzugte Faserlängen von 3–10 mm, insbesondere Faserlängen im Bereich zwischen 4 und 5 mm und Faserdurchmesser von 15–50 μm (1–30 dtex) auf.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei Verfahrensvarianten angegeben, die sich im Wesentlichen im Anteil des Celluloseregeneratfaser-Agglomerats am gesamten Faserverbundwerkstoff bzw. Komposit unterscheiden. Für die Herstellung werden 20% Celluloseregeneratfaser (Danufil^® 1,7 dtex, 5mm Länge) mit 78% Polypropylen (MFI 10) und 2% eines Maleinsäureanhydridgepfropften Polypropylens als Haftvermittler in einem Heißmischer mit Sichelwerkzeug gemischt, bis bei 185°C das Polypropylen vollständig geschmolzen ist und die Fasern benetzt hat. Anschließend wird die Schmelzemischung in einen Kühlmischer überführt und innerhalb von 10 Minuten auf 40°C abgekühlt. Dabei bilden sich die Agglomerate aus.
Das hierbei entstandene rieselfähige Agglomerat wird in einen konischen Doppelschneckenextruder dosiert, zu einer homogenen Schmelze aufgearbeitet und zu einer Hohlkammerplatte extrudiert. Die Schneckengeometrie ist so ausgelegt, dass eine gute Dispergierung der eingetragenen Materialien bei geringst möglichen Scherkräften erfolgt, um die Fasern nicht durch Scherung zu zerkleinern. Die Extrusion erfolgt bei einer Massetemperatur von 185°C, einem Massedruck von 21 MPa sowie einem Massedurchsatz von 120 kg/h. Das spezielle Extrusionswerkzeug für Stegplatten weist eine Trockenkalibriereinheit von 250 bis 500 mm Länge sowie eine 4000 mm lange Nasskalibriereinheit mit Vakuumtank auf. Die Trockenkalibrierung wird bei 60°C durchgeführt.
In einer zweiten Verfahrensvariante werden 10% des Celluloseregeneratfaser-Agglomerats im Extruder mit 88% Polypropylen und 2% des gleichen Haftvermittlers vermischt und bei den gleichen Werten extrudiert, wie dies bei der ersten Verfahrensvariante angegeben ist.
Die jeweils mit dem Verfahren hergestellte Hohlkammerplatte ist in der Figur dargestellt. Sie weist 13 Kammern mit Wandungsdicken im Bereich von 1,5 bis 3 mm auf. Die Bauteildicke beträgt 37 mm, die Bauteilbreite 425 mm. Die mechanischen Kennwerte der nach den oben beschriebenen Beispielen hergestellten Composites können der folgenden Tabelle entnommen werden, die einen Vergleich zwischen den beiden Verfahrensvarianten zeigt. Aus dieser Tabelle ist insbesondere die hohe Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit der hergestellten Hohlkammerplatte ersichtlich. Selbstverständlich lassen sich mit dem vorliegenden Verfahren auch andere Leichtbauteile, insbesondere Leichtbauprofile, mit guten mechanischen Kennwerten herstellen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff, bei dem Fasern mit einem Thermoplast zu dosierfähigen Faser-Agglomeraten verarbeitet werden und die Faser-Agglomerate zur Formung der Leichtbauteile extrudiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasern Celluloseregeneratfasern eingesetzt werden, die als Faser-Kurzschnitt bereitgestellt und zu den Faser-Agglomeraten verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kurzschnitt zur Bildung der Faser-Agglomerate in einem ersten Schritt in einem Heißmischer bei kontrollierter Aufheizung mit dem Thermoplast vermischt wird, wobei ein durch zunehmende Friktion hervorgerufener, schneller abschließender Temperaturanstieg auf ca. 150–180°C ausgenutzt wird, bei dem das Thermoplast in eine Schmelze übergeht und die Fasern umhüllt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung im Heißmischer mit einem Werkzeug erfolgt, mit dem eine Beibehaltung der Faserlängen während der Vermischung erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit den Fasern in einem zweiten Schritt in einem Kühlmischer abgekühlt wird, so dass sich der Thermoplast unter Bildung der Faser-Agglomerate verfestigt, wobei der Kühlmischer so betrieben wird, dass sich die Faser-Agglomerate in rieselfähiger Form bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mit dem Thermoplast in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:10 zu den Faser-Agglomeraten verarbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mit dem Thermoplast in einem Verhältnis von 1:3 bis 1:5 zu den Faser-Agglomeraten verarbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Thermoplaste Polyolefine, Polyvinylchlorid, Polyester, Polystyren oder Recyclingmaterial dieser Stoffe eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Thermoplaste Polypropylen oder Polyethylen oder Recyclingmaterial dieser Stoffe eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass hochviskoses Polypropylen als Thermoplast eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Polypropylen-Pulver als Thermoplast eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verarbeitung der Fasern mit dem Thermoplast zu den Faser-Agglomeraten oder bei der anschließenden Extrusion zusätzlich Haftvermittler zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftvermittler carboxylierte Polyolefine, insbesondere mit Acrylsäure- oder Maleinsäureanhydrid gepfropfte Polyolefine, zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittler in Konzentrationen von 0,5–5% Massenanteil, vorzugsweise in Konzentrationen von 1–3% Massenanteil, zugegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kurzschnitt mit einer mittleren Faserlänge von 3–10 mm, vorzugsweise mit einer mittleren Faserlänge im Bereich von 4 bis 5 mm und mit Faserdurchmessern von 15–50 μm (1–30 dtex), eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser-Agglomerate mit einem Doppelschneckenextruder in eine homogene Schmelze überführt und mit einem Werkzeug für Stegplatten extrudiert werden, an das sich eine Trockenkalibriereinheit von 0,25–50 cm Länge mit einer Temperierung im Bereich von 20–100°C, vorzugsweise 40–60°C, sowie eine ca. 400 cm lange Nasskalibriereinheit mit Vakuumtank anschließen.
Leichtbauprofil, herstellbar nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 15, aus einem Faserverbundwerkstoff, der Celluloseregeneratfasern enthält.
Leichtbauprofil nach Anspruch 16 mit einem Flächengewicht von 1–8 kg/m² und Steg- und Gurtbreiten von 1–3 mm.
Leichtbauprofil nach Anspruch 16 mit einem Flächengewicht von 2–5 kg/m² und Steg- und Gurtbreiten von 1–1,5 mm.
Leichtbauprofil nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem der Faserverbundwerkstoff 5–30% Celluloseregeneratfasern, 0–5% Haftvermittler und 70–95% Thermoplaste enthält.
Leichtbauprofil nach Anspruch 19, bei dem der Faserverbundwerkstoff 70–95% Polypropylen als Thermoplast enthält.
Leichtbauprofil nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem die Celluloseregeneratfasern eine mittlere Faserlänge von 3–10 mm, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 5 mm und einen Faserdurchmesser von 15–50 μm (1–30 dtex), aufweisen.
Verwendung von Celluloseregeneratfasern in Faserverbundwerkstoffen für die Herstellung von Leichtbauteilen.