DE10349110B3

DE10349110B3 - Faserstrang enthaltend Naturfasern und Kompositwerkstoff verstärkt mit Naturfasern sowie Verwendung von beiden

Info

Publication number: DE10349110B3
Application number: DE10349110A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr.Rer.Nat. Greiner; Thomas Dipl.-Ing. Schlößer
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-10-18

Abstract

Kunststoffe werden häufig mit Naturfasern wie Flachs, Hanf oder Ramie versetzt, um so Kompositwerkstoffe mit gegenüber den Einzelkomponenten verbesserten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Derartige Fasern weisen gegenüber Glasfasern deutlich geringere Faserfestigkeit auf. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Naturfaserstränge anzugeben, die gute Anbindung der Kunststoffmatrix ermöglichen, sowie einen naturfaserverstärken Kompositwerkstoff anzugeben, der gegenüber Glasfaserverstärkungen ein geringeres Gewicht aufweist, aber eine möglichst hohe Faserfestigkeit besitzt. Darüber hinaus sollen die Naturfaserstränge leicht verarbeitbar und kostengünstig sein. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst durch Naturfaserstränge aus Fasern der musa textilis mit geringen Oberflächenavivagen und deren Einarbeitung in eine Kunststoffmatrix zu einem Kompositwerkstoff.

Description

Die Erfindung betrifft einen Faserstrang (Roving) enthaltend Naturfasern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Kompositwerkstoff enthaltend Kunststoff verstärkt mit Naturfasern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3 und eine Verwendung beider gemäß Patentanspruch 6. Ein derartiger Kompositwerkstoff ist bereits aus der DE 195 23 490 A1 bekannt.
Gemäß der DE 195 23 490 A1 werden Endlos-Faserstränge aus Flachs zunächst mit Kunststoff vorimprägniert, dann in einem Zweiwellenextruder in die Kunststoffmatrix eingemischt und abschließend die entstandene langfaserverstärkte Kunststoffmasse einer Pressform zugeführt. Versuche zeigen jedoch, dass die Anbindung des Kunststoff an die Oberfläche von Naturfasern einigen Qualitätsanforderungen nicht genügt.
Bananen der Art musa textilis liefern kräftige Faserstränge, die zu Schiffstauen verdrillt werden [Deutsches Kolonial-Lexikon, 1920, Band II, Seite 498].
Kunststoffe werden häufig mit Naturfasern versetzt, um so Kompositwerkstoffe mit gegenüber den Einzelkomponenten verbesserten mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Die Naturfasern stammen dabei beispielsweise von Flachs, Hanf, Ramie oder Kenaf. Derartige Pflanzen gehören alle zu der Klasse der Dikotyledoneae, ihre Fasern weisen einen hohen Zelluloseanteil auf und sind sehr weich und elastisch. Ihre natürliche Faserlänge ist auf einige Dezimeter beschränkt.
Der Zusatz derartiger Fasern anstatt von Glasfasern ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit vergleichbarer spezifischer Bauteilfestigkeit bei gleichzeitig verringertem Gewicht und Kosten sowie verbesserter Recyclierbarkeit. Nachteilig ist jedoch die geringere Schlagzähigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Naturfaserstränge anzugeben, die verbesserte Anbindung der Kunststoffmatrix ermöglichen, sowie einen naturfaserverstärkten Kompositwerkstoff anzugeben, der gegenüber Glasfaserverstärkungen ein geringeres Gewicht aufweist aber eine möglichst hohe Bauteilfestigkeit besitzt. Darüber hinaus sollen die Naturfaserstränge leicht verarbeitbar und kostengünstig sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch industriell erzeugte Faserstränge aus Einzelfasern der Musaceae gelöst, die Oberflächenavivagen (d.h. oberflächliche Verunreinigungen mit Textilhilfsmitteln, üblicherweise Seifen, Öle, Fette, zur Verbesserung der Lauf- und Gleiteigenschaften für die Weiterverarbeitung von Fasern) von weniger als 0,3 (vorzugsweise 0,1) Gewichtsprozent (bezogen auf das Gesamtgewicht einer Faser) aufweisen. Dies gewährleistet eine gute Anbindung der Kunststoffmatrix an die Faseroberfläche, die den meisten (bzw. bei 0,1 Gewichtsprozent auch hohen) Qualitätsanforderungen genügt.
Zur Erreichung derartiger Strangoberflächen sollte bei deren Herstellung auf die ansonsten übliche Verwendung von Schmiermitteln, insbesondere Öl, Fett, Silikon, weitestgehend verzichtet werden. Denkbar wäre auch eine nachfolgende Reinigung, welche jedoch die Kosten erhöhen würde.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Faserstränge eine Verdrillung der Einzelfasern von nicht mehr als 40, vorzugsweise nicht mehr als 30, Verdrillungen pro Meter Stranglänge auf. Dies gewährleistet eine gute Auflösung des Faserstrangs und damit gute Verteilung der Einzelfasern in der Kunststoffmatrix. Daraus wiederum resultieren homogene Bauteileigenschaften.
Die Aufgabe wird bezüglich des Kompositwerkstoffes dadurch gelöst, dass er Kunststoff verstärkt mit Naturfasern von Pflanzen aus der Familie der Musaceae (Bananen) enthält. Derartige Fasern sind im Vergleich zu solchen der vorstehend genannten aus der Klasse der Dikotyledoneae meist härter und besitzen eine höhere Zugfestigkeit.
Darüber hinaus wurden bereits viele Arten der Musaceae erfolgreich kultiviert und sind somit kommerziell verfügbar und vergleichsweise kostengünstig. Besonders hervorzuheben ist hier die Art Musa textilis, deren Fasern häufig Zugfestigkeiten von über 1000 MPa erreichen und somit besondere Eignung als Verstärkungsfasern aufweisen. Neben den hohen Zugfestigkeiten weisen sie auch noch große Faserlängen von einigen Metern auf und erleichtern so die industrielle Verarbeitung zu Fasersträngen (Rovings) und gestalten sie deshalb kostengünstig.
Derartige Faserstränge können mit bekannten direkten Langfaserthermoplast-Verfahren, beispielsweise dem in der DE 195 23 490 A1 beschriebenen, schonend in die Kunststoffmatrix eingebracht werden. Derartige Verfahren ermöglichen, die Herstellung von Kompositwerkstoffen mit Längen der enthaltenen Naturfasern von mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 3 mm, woraus eine im Verhältnis zu kürzeren Fasern deutlich verbesserte Bauteilfestigkeit resultiert.
Aufgrund der leichten Verarbeitbarkeit, insbesondere Wiederverarbeitbarkeit, ist als Kunststoffmatrix ein Thermoplast vorteilhaft. Unter diesen sind insbesondere die kostengünstigen und leichten Polyolefine vorzuziehen, wobei sich Polypropylen aufgrund seiner guten Anbindung an die Musa textilis Fasern als besonders geeignet erwiesen hat. Unterstützend werden bei letzterem mit Maleinsäureanhydrid gepfropfte Polypropylenpolymere als Haftvermittler eingesetzt; geeignet sind z.B. Polybond^® 3200 (Firma BP) Skona^® TPPP 8012FA (Firma NRC), Licomont^® (CTariant), Mowital^® (Kurary) und andere.
Nachfolgend werden anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindungsgegenstände näher erläutert.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel enthält ein erfindungsgemäßer Faserstrang (Roving) Naturfasern von Pflanzen aus der Familie der Musaceae (Bananen), speziell aus der Art der musa textilis. Die Faserqualität ist „S-G" (Einstufung gemäß National Abaca Research Center, LSU-ViSCA, Baybay, Leyte, Philippines; vgl. www.bar.gov.ph/abaca/industrialuses.htm). Diese Qualitätsstufe liefert Fasern mit relativ weichen Fasern und wenig Verunreinigungen. Bessere Faserqualitäten sind erhältlich, aber teurer. Für den Einsatz als Verstärkungsfasern hat sich die Qualitätsstufe „S-G" als ausreichend erwiesen.
Der Faserstrang hat einen Durchmesser von circa 2 mm, das entspricht circa 240 m/kg. Dieser Faserdurchmesser ermöglicht einen guten Einzug und Aufschluß in die Einzelfasern im Extruder, woraus eine ausreichend homogene Verteilung der Einzelfasern im Bauteil resultiert. Geringere Strangdurchmesser verbessern Einzug und Aufschluß, verteuern jedoch die Faserstränge und machen die Verarbeitung störanfälliger. Zwischen 1,5 und 2,5 mm Durchmesser lassen sich für die meisten Kosten- und Qualitätsanforderungen geeignete Kompromisse finden.
Die Faserstrangoberfläche ist weitgehend frei von Avivagen aus Öl, Fett, Silikon oder ähnlichem, die eine Anbindung der Kunststoffmatrix an die Faseroberfläche behindern würden. Weitgehend frei bedeutet weniger als 0,3 Gewichtsprozent (bezogen auf die Faser). Dies wird durch den Verzicht auf die sonst üblichen Schmiermittel bei der Faserherstellung gewährleistet. Dies erfordert eine langsamere und somit materialschonendere Herstellung. Alternativ ist auch eine nachträgliche Reinigung der Faserstränge möglich, womit dann auch Avivagen von weniger als 0,1 Gewichtsprozent leichter erzielbar sind.
Die Faserstränge weisen eine Verdrillung von durchschnittlich 30 Verdrillungen pro Meter Stranglänge auf. Dies gewährleistet einen ausreichenden Zusammenhalt der Einzelfasern im Strang und gleichzeitig einen ausreichend gute Aufspreitung und Verteilung der Einzelfasern in der Kunststoffmatrix nach dem Eintritt des Faserstrangs in den Extruder.
In einem anderen Ausführungsbeispiel werden höherwertige Fasern der Qualitätsstufe „S-S2" mit 40 Verdrillungen pro Meter zu einem Faserstrang verarbeitet. Derartige Stränge lassen sich mit etwas höherer Geschwindigkeit verarbeiten. Sie werden etwas weniger homogen in der Kunststoffmatrix verteilt, erzielen aber aufgrund der besseren Faserqualität vergleichbare Bauteilqualität.
In einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffes ist dieser aufgebaut aus einer Kunststoffmatrix aus Polypropylen verstärkt mit circa 30 Gewichtsprozent Naturfasern von Pflanzen aus der Art Musa textilis. Alternativ sind aber auch Fasern der weit verbreiteten essba ren Bananenarten, z.B. Musa acuminata oder Musa balbisiana, geeignet.
Derartige Fasern werden mittels üblicher Verfahren zu vorstehend beschriebenen Fasersträngen verarbeitet. Die Faserstränge werden zu kernlosen, d.h. von innen abwickelbaren Spulen aufgerollt und dann einer üblichen Vorrichtung für das sog. direkte Langfaserthermoplast-Verfahren zugeführt, z.B. gemäß der DE 195 23 490 A1 . Die Faserstränge werden vorgewärmt um Restfeuchte zu entfernen, die ansonsten in der heißen Polypropylenmatrix verdampfen und Gaseinschlüsse bilden würde. Das Polypropylen wird auf 195 °C erwärmt und ist dabei ausreichend fließfähig um gute Verteilung zwischen und Haftung an den Einzelfasern zu gewährleisten. Gleichzeitig ist die Temperatur niedrig genug um Faserschädigungen zu vermeiden. Nach einer ausreichenden Durchmischung in einem Extruder wird die langfaserverstärkte Polypropylenmasse einer Form-Presse zugeführt, deren Pressdruck wird schrittweise auf 2.200 t erhöht. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Unterbodenverkleidung für einen PKW hergestellt.
Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann auch Polyethylen, Polyamid, Polyester, Polybutylterephtalat (PBT) oder Polyethylenterephtalat (PET) verwendet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffes ist etwas geringer als die eines PP-Glasfaser-Kompositwerkstoffes. Daher muss eine längere Aushärtzeit vor der Entnahme des Bauteils aus der Presse eingehalten werden. Anderenfalls kann es zu Verzug kommen. Alternativ kann die Abkühlung durch Zugabe von Kristallisationshilfsmitteln (auch als Nukleierungsmittel oder Keimbildner bezeichnet) in die PP-Schmelze beschleunigt werden. Dafür kommen anorganische in Frage, z.B. Talkum, Kieselsäure oder Kaolin, oder organische, z.B. Phosphatestersalze, Carbonsäure-Salze, Pigmente, Sorbitolacetale oder auch Polymere wie z.B. Ethylen-Acrylester-Copolymere. Als gut geeignet für die Verwendung mit Polyole finen, Polyestern oder Polyamiden hat sich Brüggolen^® – eine Mischung aus organischen und mineralischen Kristallisationshilfsmitteln
erwiesen. Dieses Kristallisationshilfsmittel zeigt kaum Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Naturfaserstränge anstatt Glasfasersträngen in bekannten direkten Langfaserthermoplast-Verfahren ermöglicht bei vergleichbarer Bauteilqualität Reduktion sowohl der Herstellungskosten als auch des Bauteilgewichts.
Die erfindungsgemäßen Naturfaserstränge und der erfindungsgemäße Kompositwerkstoff erweisen sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für die kostengünstige und qualitativ hochwertige Produktion von langfaserverstärkten Bauteilen, insbesondere der Automobilindustrie.

Claims

Industriell erzeugter Faserstrang (Roving) enthaltend Naturfasern von Pflanzen aus der Familie der Musaceae (Bananen), dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächenavivagen weniger als 0,3 Gewichtsprozent betragen.
Faserstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfasern weniger als 40 Verdrillungen pro Meter aufweisen.
Faserstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfasern weniger als 30 Verdrillungen pro Meter aufweisen.
Kompositwerkstoff enthaltend Kunststoff verstärkt mit Naturfasern dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern von Pflanzen aus der Familie der Musaceae (Bananen) stammen.
Kompositwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern von Pflanzen aus der Art Musa textilis stammen.
Kompositwerkstoff nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der verstärkenden Naturfasern mehr als 1 mm beträgt.
Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Thermoplast ist.
Kompositwerkstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polyolefin ist.
Verwendung von mindestens einem Faserstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes nach einem der Ansprüche 4 bis 8 in einem sog. direkten Langfaserthermoplast-Verfahren.