DE19732425A1

DE19732425A1 - Verbundwerkstoff aus faserverstärktem Polyurethan und einem Thermoplasten sowie Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE19732425A1
Application number: DE1997132425
Authority: DE
Original assignee: ADLER KUNSTSTOFFTECHNIK INH WI
Current assignee: ADLER KUNSTSTOFFTECHNIK INH WI
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-07-28
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: DE19732425C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus faserverstärktem Polyurethan und einem Thermoplasten, insbesondere zur Verwendung als Bauteil im Fahrzeugbau, sowie ein Verfahren zur Her stellung des Verbundwerkstoffs.

Karosserieteile eines Fahrzeugs oder andere großflächige Bauteile aus Metall weisen ein hohes Gewicht auf und müssen zudem einer Oberflächenbehandlung durch Lackieren unterworfen werden. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, metallische Teile eines Fahrzeugs durch Kunststoffteile zu ersetzen. Zu diesem Zweck wurden insbesondere faserverstärkte Kunststoffe vorgeschlagen. Die Herstellung von Fahrzeugteilen aus faserverstärkten Kunststoffen in den für die Fahrzeugteile benötigten Größenabmessungen ist jedoch unwirtschaft lich. Außerdem erfordern auch diese Teile eine Nachbehandlung durch Lackieren.

Pigmentierte oder durchgefärbte Thermoplasthartfolien oder aus derartigen Folien hergestellte Laminate eignen sich wegen ihrer unzu reichenden Schlagzähigkeit und Eigenstabilität nicht für den Einsatz in stoßempfindlichen Bereichen der Fahrzeugkarosserie. Aus den gleichen Gründen konnten diese Werkstoffe auch in anderen Bereichen der Technik nicht zur Herstellung großflächiger Bauteile verwendet werden.

Andererseits ist bekannt, daß Werkstoffe aus Polyurethan gute elastische Eigenschaften aufweisen. Sie werden daher insbesondere in Form der Integralschaumstoffe bereits für den Fahrzeugbau eingesetzt. Die Herstellung der Polyurethan-Integralschaumstoffe erfolgt nach dem sogenannten RIM-(reaction-injection-molding)-Verfahren oder RSG-(Reak tions-Spritzguß)-Verfahren, welches durch das schnelle Dosieren und Vermischen großer Mengen eines Mehrkomponenten-Systems, die Injektion des Reaktionsgemisches in einen Werkzeughohlraum und die schnelle Aus härtung zum Formteil gekennzeichnet ist. Bei Verstärkung der Poly urethan-Integralschaumstoffe mit Füllstoffen, z. B. mit Glasfasern, können steife und selbsttragende Karosserieteile erhalten werden. Auch diese Karosserieteile müssen jedoch durch Lackieren nachbehandelt werden.

Schließlich läßt sich die Festigkeit von Kunststoffteilen auch mit Hilfe des Faser-Spritzverfahrens durch Hinterspritzen mit glasfaserverstärktem Epoxyharz erhöhen. Dieses Verfahren wird jedoch nur halbautomatisch durchgeführt und erfordert eine zusätzliche umweltbelastende Nachbearbeitung der aufgespritzten Faserschicht durch spanabhebende Verfahren. Zudem ist der Faseranteil in der aufgespritzten Schicht mit bis zu 80% relativ hoch, was die Bauteilkosten unzuträglich erhöht. Die ungeordnete Verteilung der Fasern in der aufgespritzten Schicht führt zudem dazu, daß die Schicht relativ dick ausgebildet sein muß, um die gewünschte Steigerung der Bauteilfestigkeit zu erreichen.

Es besteht daher weiterhin ein Bedarf an wirtschaftlich herstell baren Kunststoff-Bauteilen mit hoher Stabilität, die ohne Nachbe handlung insbesondere im Sichtbereich einer Fahrzeugkarosserie ein gesetzt werden können.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund werkstoffs aus faserverstärktem Polyurethan und einem Thermoplasten, mit dem ein derartiger Verbundwerkstoff als großes stabiles Bauteil mit fertiger Oberfläche und komplexen technischen Geometrien in einem Urform- und einem Umformprozeß ohne weitere Nacharbeiten erhältlich ist. Erfindungsgemäß wird zunächst eine geformte Thermoplasthartfolie bereitgestellt, die entweder nach bekannten Verfahren hergestellt werden oder bereits als fertiges Bauteil vorliegen kann. Eine vorbe stimmte Fläche der Thermoplasthartfolie wird dann zur Steigerung der Benetzbarkeit dieser Fläche vorbehandelt. Diese Vorbehandlung erfolgt vorzugsweise durch Auftragen eines Primers, der insbesondere aus der aus Acetaten, Alkoholen, Isocyanaten und thermoplastischen Polyurethanen sowie deren Gemische bestehenden Gruppe ausgewählt werden kann. Je nach Art der eingesetzten Thermoplasthartfolie kann auch zusätzlich eine Korona- oder Flammbehandlung durchgeführt werden.

Im Anschluß an die Vorbehandlung wird die Thermoplasthartfolie zusammen mit wenigstens einer Fasermatte oder einem Fasergewebe in ein Spritzgußwerkzeug eingebracht, wobei die Fasermatte oder das Faser gewebe an die vorbehandelte Fläche angelegt wird. Danach wird ein Polyurethan vorzugsweise mittels des RIM-Verfahrens auf die vorbe handelte Fläche und die Fasermatte oder das Fasergewebe aufgespritzt, wobei die Wandstärke der Polyurethanschicht durch die Werkzeuggeo metrie vorgegeben wird. Schließlich wird das Polyurethan ausgehärtet, wonach das fertiggestellte Bauteil aus der Form entnommen werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlicher Verbundwerkstoff aus faserverstärktem Poly urethan und einem Thermoplasten.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft einen Verbundwerkstoff mit hoher Eigenstabilität, dessen mechanische und physikalische Eigen schaften nahezu maßgeschneidert eingestellt werden können. Je nach Art der eingesetzten Fasern und des Polyurethans lassen sich beispiels weise die Festigkeit des Verbundwerkstoffs sowie dessen Dämpfungs eigenschaften an kundenspezifische Anforderungen anpassen. Da die Sichtseite der Thermoplasthartfolie durch das erfindungsgemäße Ver fahren nicht verändert wird und die Kontur sowie die Wandstärke der Polyurethanschicht durch die Werkzeuggeometrie vorgegeben ist, entfallen Nacharbeiten wie beispielsweise Lackieren, Schleifen, Bohren oder Fräsen. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet zudem die Einhaltung kurzer. Taktzeiten, die eine äußerst wirtschaftliche vollautomatisierte Fertigung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Verbundwerkstoffe ermöglichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Herstellung von Karosserieteilen, sondern allgemein zum Ersatz von lackierten und unlackierten Metall- oder Kunststoffteilen, insbesondere aus faserverstärkten Kunststoffen, die besonders stabil ausgebildet sein müssen. So ist beispielsweise denkbar, die heute be reits üblichen Einweg-Verpackungen von Großgeräten, wie Wasch maschinen, die aus einer Thermoplasthartfolie bestehen, mittels des erfindungsgemaßen Verfahrens so zu stabilisieren, daß bei nur unwe sentlicher Gewichtszunahme der Verpackung ein Einsatz als Mehrweg verpackung wirtschaftlich sinnvoll wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll.

Zur Herstellung einer Abdeckhaube von etwa einem Quadratmeter Größe wird zunächst eine den Kundenanforderungen entsprechende Thermo plasthartfolie im Tiefziehverfahren hergestellt. Diese Thermoplast hartfolie kann auch als vorgefertigtes Bauteil aus einer Fremdpro duktion, beispielsweise als vom Kunden angeliefertes Bauteil, vor liegen. Als Thermoplast können polare und unpolare Thermoplaste, wie z. B. Polyethylen, Polypropylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer, Polystyrol, Polyamid oder Polycarbonat eingesetzt werden. Als für das erfindungsgemäße Verfahren ungeeignet haben sich lediglich stark hydrophobe Thermoplaste wie Polytetrafluorethylen erwiesen. Die Thermoplasthartfolie ist vorzugsweise pigmentiert, d. h. durchgefärbt.

Als nächster Schritt erfolgt nun die Herstellung der die Thermoplasthartfolie aufnehmenden Werkzeughälfte oder Außenkontur sowie die Konstruktion der Innenkontur für die Polyurethan- Beschichtung. Hierbei ist auf eine einwandfreie Abdichtung zwischen der Innenkontur und der Außenkontur des Werkzeugs sowie des eingelegten Tiefziehteils zu achten, um ein Überschäumen des in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eingespritzten Polyurethans zu vermeiden. Die Bestimmung der Wandstärke der Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch unmittelbaren Kontakt der Innenkontur mit der Thermoplastoberfläche in einem geeigneten Bereich zur Festlegung eines Nullpunktes. Dies garantiert eine konstante Wandstärke während der Produktion und die Kompensation von Wandstärkeunterschieden, die bei der Herstellung von Tiefziehteilen auftreten können.

Die der Sichtseite der Thermoplasthartfolie gegenüberliegende Fläche wird nun einer Vorbehandlung zur Steigerung der Benetzbarkeit der Thermoplastoberfläche unterzogen. Die Vorbehandlung erfolgt vorzugsweise durch Auftragen eines Primers, der aus der aus Acetaten, Alkoholen, Isocyanaten und thermoplastischen Polyurethanen sowie deren Gemische bestehenden Gruppe ausgewählt werden kann. Je nach Art des eingesetzten Thermoplasten ist zusätzlich auch eine Korona- oder Flammbehandlung möglich. Der Primerauftrag gewährleistet eine sichere Verbindung der Polyurethan-Beschichtung mit der Thermoplasthartfolie.

Vorzugsweise wird die Thermoplasthartfolie außerdem thermisch vorbehandelt. Die thermische Vorbehandlung erfolgt besonders bevorzugt durch Einbringen der Hartfolie in einen Ofen und Erwärmen auf eine Temperatur nahe des Plastifizierungspunktes des Thermoplasten, bei der die Form der Hartfolie gerade noch erhalten bleibt. Diese Vorbehand lung gewährleistet eine Angleichung des Schwundverhaltens des Thermo plasten und des Polyurethans und beseitigt somit die Gefahr einer Delaminierung oder Verformung des Verbundwerkstoffs während der Ab kühlphase aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien.

Nach einer Vortemperierung des Werkzeugs auf die gewünschte Ein satztemperatur wird die vorbehandelte Thermoplasthartfolie in das Spritzwerkzeug eingebracht. Gleichzeitig wird wenigstens eine gegebenenfalls vortemperierte Fasermatte oder ein Fasergewebe so in das Werkzeug eingelegt, daß die Fasermatte oder das Fasergewebe an der vorbehandelten Fläche der Thermoplasthartfolie anliegt. Die Faser matten bzw. das Fasergewebe können beispielsweise aus Glasfasern, Kohlefasern, Kunststoffasern, insbesondere Aramidfasern, Keramikfasern oder auch Naturfasern, wie z. B. Hanf- oder Flachsfasern, bestehen. Auch die Verwendung von Kombinationen dieser Fasern ist möglich. Glas fasermatten werden aufgrund ihres günstigen Preises für Anwendungen in Großserien bevorzugt. Kohlefasern eignen sich aufgrund ihrer Festig keit besonders für die Herstellung hochschlagzäher Verbundwerkstoffe. Die Verwendung von Naturfasern greift schließlich auf nachwachsende Rohstoffe zurück und ermöglicht so unter Einbeziehung der Umweltbilanz eine besonders wirtschaftliche und energieschonende Herstellung von Massenprodukten. Überraschenderweise wurde gefunden, daß bei Ver wendung von Hanffasern anstelle von Glasfasern ein Verbundwerkstoff mit einer um etwa zwanzig Prozent höheren Elastizität erhalten werden konnte. Die Verwendung von Hanffasermatten oder -geweben ist daher besonders bevorzugt.

Der Faseranteil in den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffen beträgt vorzugsweise bis zu 20 Gew.-%, und liegt besonders bevorzugt im Bereich zwischen 10 und 15 Gew.-%. Dieser niedrige Faseranteil senkt die Herstellungskosten der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen erheblich. Zudem sind die erfindungs gemäß hergestellten Bauteile hinsichtlich ihrer Festigkeitseigen schaften den herkömmlichen Bauteilen überlegen.

Nach dem Verschluß des Werkzeuges mit einem definierten Freiraum für die Polyurethanbeschichtung, der vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 3 cm liegt, erfolgt das Einspritzen des Polyurethanmaterials in dem bekannten RIM-Verfahren. Nach dem Einspritzen des Polyurethanmaterials wird das Werkzeug verschlossen und das Polyurethan ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird das Werkzeug geöffnet und der fertige Verbundwerkstoff aus der Form genommen.

Ein nach diesem Verfahren erhaltlicher Verbundwerkstoff kann als hochstabiles, selbsttragendes Bauteil eingesetzt werden, wobei die als Sichtseite dienende Oberfläche des Verbundwerkstoffs keiner Nach behandlung bedarf, da auf vorgefertigte, den kundenspezifischen Anfor derungen entsprechende Tiefziehteile zurückgegriffen werden kann bzw. diese Teile nach Kundenvorgaben gefertigt werden können. Darüber hinaus ist auch die Kontur der Polyurethanbeschichtung bereits durch die Werkzeuggeometrie festgelegt, so daß eine Nachbearbeitung dieser Beschichtung durch spanabhebende Verfahren entbehrlich ist. Der Ver bund aus Thermoplast und faserverstärktem Polyurethan erweist sich dabei als äußerst schlagzäh und aufgrund der guten Elastizitäts eigenschaften des Polyurethans auch als besonders schalldämmend. Neben aufwendigen Lackierarbeiten kann daher auch das Einlegen von be sonderen Dämmstoffen z. B. in eine Fahrzeugkarosserie entfallen.

Aufgrund der Variationsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem jedes beliebige Kunststoffteil beschichtet und damit stabi lisiert werden. Somit ist ein Ersatz von Kunststoffteilen in allen Bereichen denkbar, bei denen einerseits eine hohe Stabilität erreicht werden muß, andererseits aber aufgrund optischer Anforderungen eine Nachbehandlung der Kunststoffoberflächen erforderlich ist. Weiterhin sind Einsatzbereiche denkbar, in denen bruchempfindliche Kunststoffe mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in hochstabile und damit wirtschaftlich besser nutzbare Einheiten umgewandelt werden können. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Umwandlung von Einwegver packungen technischer Großgeräte in umweltfreundliche und kosten günstige Mehrwegverpackungen zu nennen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus faser verstärktem Polyurethan und einem Thermoplast, welches die folgenden Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen einer geformten Thermoplasthartfolie;
b) Vorbehandeln einer vorbestimmten Fläche der Thermoplasthartfolie zur Steigerung der Benetzbarkeit der Fläche;
c) Einbringen der vorbehandelten Thermoplasthartfolie in ein Spritz gußwerkzeug zusammen mit wenigstens einer Fasermatte oder einem Fasergewebe, wobei die Fasermatte oder das Fasergewebe an die vorbehandelte Fläche angelegt wird;
d) Aufspritzen eines Polyurethans auf die vorbehandelte Fläche und die Fasermatte oder das Fasergewebe in einer durch die Werkzeuggeometrie vorgegebenen Wandstarke; und
e) Aushärten des Polyurethans.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Thermo plasthartfolie ein vorgefertigtes Bauteil eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine pigmentierte Thermoplasthartfolie verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Thermoplasthartfolie ein aus der aus Poly ethylen, Polypropylen, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer, Poly styrol, Polyamid oder Polycarbonat bestehenden Gruppe ausgewählter Thermoplast verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorbehandeln durch Auftragen eines Primers auf die vorbe stimmte Fläche der Thermoplasthartfolie durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Primer aus der aus den Acetaten, Alkoholen, Isocyanaten und thermoplastischen Polyurethanen oder deren Gemische bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorbehandeln zusätzlich eine Koronabehandlung oder Flammbehandlung umfaßt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplasthartfolie vor dem Einbringen in das Spritzgußwerkzeug thermisch vorbehandelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Vorbehandlung ein Erwärmen der Thermoplasthartfolie auf eine Temperatur bis nahe an den Plastifizierungspunkt des Thermoplasten umfaßt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasermatte oder das Fasergewebe aus Glas fasern, Kohlefasern, Kunststoffasern, Naturfasern, Keramikfasern oder aus Gemischen dieser Fasern gebildet wird.

11. Verbundwerkstoff aus einem Thermoplasten und faserverstärktem Polyurethan, erhältlich nach den Verfahren gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche.

12. Verbundwerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil in dem Verbundwerkstoff bis etwa 20 Gew.-% beträgt.

13. Verbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil in einem Bereich zwischen etwa 10 und 15 Gew.-% liegt.