DE19756126A1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststofferzeugnissen mit Langfaserverstärkung insbesondere m. endl. langen Verstärkungsfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von langfaserverstärkten Kunststofferzeugnissen durch Plastifizierung von Hybrid-Faserbändern auf Schneckenmaschinen.

Die Herstellung und Verarbeitung von langfaserverstärkten Thermoplasten ist seit langem Stand der Technik. Dabei werden gegenwärtig vor allem Glasfasern aber auch teilweise Kohlefasern und Aramidfasern als Verstärkungsmaterialien ein­ gesetzt. Bedingt durch die großen Verstärkungsfaserlängen können mit langfaser­ verstärkten Thermoplasten bessere mechanische Eigenschaften als mit thermo­ plastischen Kurzfaserverbunden erzielt werden. Vor allem das große Energie­ aufnahmevermögen bei schlag- oder stoßartiger Beanspruchung und das sichere Bruchverhalten (kein Splitterbruch) zeichnen die langfaserverstärkten Kunststoffe aus. Aber auch die Zug- und Biegeeigenschaften der Langfaserverbunde über­ treffen die Werte von kurzfaserverstärkten Thermoplasten deutlich.

Die Verarbeitung von langfaserverstärkten Thermoplasten kann auf konventio­ nellen Spritzgieß-, Extrusions- oder anderen Plastifiziermaschinen erfolgen. Dazu ist aber in der Regel eine sorgfältige Optimierung der Prozeßbedingungen erforderlich, um bei der Verarbeitung die Faserlänge der Verstärkungsfasern möglichst wenig abzubauen. Grundvoraussetzung für die Verarbeitung von langfaserverstärkten Thermoplasten ist jedoch vor allem eine geeignete Dosierungsmöglichkeit für die langen Verstärkungsfasern bzw. die Herstellung von rieselfähigen Langfasergranulaten.

Langfasergranulate werden gegenwärtig hauptsächlich im Pultrusionsverfahren hergestellt (DE 42 18 434 A1, DE 41 21 200 A1, US 39 93 726, GB 14 39 327, EP 0 056 703, US 45 58 538).

Bei diesem Verfahren werden die Verstärkungsfasern in die Kunststoffmatrix eingebunden. Große technische Bedeutung hat vor allem das Schmelze­ pultrusionsverfahren. Prinzip des Verfahrens ist der kontinuierliche Einzug von Verstärkungsfasersträngen (Rovings) in ein Werkzeug unter gleichzeitiger Zuführung von geschmolzenem Matrixmaterial. Weiterhin sind auch Pultrusionsverfahren zur Prepregverarbeitung bekannt. Bei diesen speziellen Pultrusionsverfahren kann die Zuführung von geschmolzenem Polymermaterial entfallen, da vorimprägnierte Verstärkungsfaserrovings (Prepregs) eingesetzt werden.

Voraussetzung zur Verarbeitung von Faserverbunden im Pultrusionsprozeß ist jedoch in jedem Fall ein strangförmiges Fasermaterial-Halbzeug (Roving oder Fasergarn), welches höhere Zugkräfte (≧ 10 N) übertragen kann. Bei Einsatz von Verstärkungsfaserstoffen wie Glas-, Aramid- und Kohlenstoff­ fasern ist das kein Problem, da die Verstärkungsfasern bei der Herstellung kontinuierlich aus Düsen abgezogen und zu Rovings gefacht werden. Derar­ tige Rovings können bei der Pultrusion von Spulen abgewickelt und mit hohen Zugkräften beaufschlagt werden. Bei Einsatz von Verstärkungsfasern mit endlicher Faserlänge (z. B. Naturfasern, Polymer-Stapelfasern, Reißfasern aus Recyclingprozessen u. a. endliche Verstärkungsfasern) ist das allerdings nicht möglich. Aus derartigen Fasern können nur Faserbänder oder Fasergarne mit geringer Zugfestigkeit hergestellt werden. Die Herstellung von Langfasergranulat nach dem Pultrusionsverfahren ist deshalb bei diesen Materialien nicht möglich.

Eine andere Möglichkeit der Dosierung von langen Verstärkungsfasern ist der direkte Einzug von endlosen Verstärkungsfasersträngen in Schneckenmaschinen. (EP 0 124 003 B1, DE 42 36 662 C2).

Beim Direkteinzug von Verstärkungsfaserrovings wird das Verstärkungsfaser­ material in der Regel durch eine seitliche Öffnung der Schneckenmaschine zugeführt und im Plastifizierzylinder mit der Polymerschmelze vermischt (US 43 00 840, DE 42 36 662 C2). Dabei muß das Verstärkungsfasermaterial in der Schneckenmaschine sowohl definiert verkürzt, als auch mit der Polymerschmelze vermischt und homogenisiert werden. Das setzt in der Regel eine spezielle Maschinenkonfiguration voraus (EP 48 590 81, EP 340 873 A1, DE 42 36 662 G2). Diese Variante der Faserdosierung erfordert allerdings auch endlose Verstärkungsfaserrovings um einen kontinuierlichen Fasereinzug sichern zu können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die direkte Verarbeitung von endlich langen, schlecht rieselfähigen Verstärkungsfasern auf konventionellen Schneckenmaschinen zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst mit Hilfe einer Krempelmaschine Hybridbänder aus einer Fasermischung von Verstärkungs- und Matrixfasern hergestellt und in Kannen abgelegt werden. Dabei wird mit dem Mischungsverhältnis von Verstärkungs- und Matrixfasern der Fasergehalt eingestellt. Die Matrixfasern wirken in dem Faserband als Trägermaterial für die Verstärkungsfasern und ermöglichen so auch die Handhabung von schlecht rieselfähigen Verstärkungsfasern.

In einem zweiten Schritt können die Hybridbänder (1) Plastifizier- oder Spritzgieß­ maschinen (5) direkt in der Einzugszone (4) zugeführt werden. Der Füllvorgang bei Plastifizier- oder Spritzgießmaschinen erfolgt durch die Rotation der Schnecke, wodurch die Hybridbänder in den Zylinder eingezogen werden. Die Einzugs­ geschwindigkeit und dosierte Menge des Materials kann durch die Schnecken­ drehzahl, Anzahl und Stärke der Hybridbänder gesteuert werden. Im beheizten Zylinder werden die thermoplastischen Matrixfasern bei den entsprechenden Verarbeitungstemperaturen aufgeschmolzen, so daß ein plastisch verformbarer, langfaserverstärkter Formstoff entsteht. Die Dosierung der Hybridbänder durch die Rotation der Schnecke erfolgt so lange, bis das gewünschte Schußvolumen mit plastischen Material in der Ausstoßkammer erreicht ist. Anschließend erfolgt durch eine Vorschubbewegung der Schnecke der Austrag des plastischen Materials in die Kavität des Werkzeuges zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen.

Hauptvorteil des beschriebenen Verfahrens ist die Möglichkeit, endlich lange, schlecht rieselfähige Verstärkungsfasern auf Schneckenmaschinen kontinuierlich zu verarbeiten.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gegenüber konventionbellen Verarbeitungs­ techniken ist die geringe thermische Beanspruchung der Verstärkungsfasern durch die nur einmalige Temperaturbeanspruchung. Dadurch können auch temperaturempfindliche Verstärkungsfasern schonend verarbeitet werden.

Ausführungsbeispiel 1

Ein Hybridband (1) aus Flachs- und Polypropylenfasern mit einer Bandfeinheit von 20 ktex, einer mittleren Faserlänge der Flachs- und Polypropylenfasern von 60 mm und einem Flachsfasergehalt von 30 Gew.-% wird aus einer Kanne (2) über eine Umlenkrolle (3) der Einzugszone (4) einer Schnecken-Kolbenspritzgieß­ maschine (5) zugeführt. Der Schneckendurchmesser der Plastifizierschnecke der Spritzgießmaschine beträgt 30 mm. Zu Beginn des Spritzgießvorgangs wird der Anfang des zu verarbeitenden Hybridbandes in den Schneckengang eingeführt bis das Band durch die Rotation der Schnecke kontinuierlich in den Zylinder eingezogen wird. Die Schnecke rotiert dabei solange, bis das erforderliche Schußvolumen durch den Einzug einer entsprechenden Menge Hybrid band erreicht ist. Gleichzeitig wird das Material im Zylinder bei einer Temperatur von 170°C plastifiziert. Nach der Aufdosierung und Plastifizierung des Materials wird die langfaserverstärkte Form­ masse in ein temperiertes Werkzeug eingespritzt. Die Festigkeit des Hybridbandes aus einer Mischung von 70 Gew.-% PP-Fasern und 30 Gew.-% Flachsfasern ermöglicht den kontinuierlichen, störungsfreien Abzug des Materials aus der Kanne. Beim Wechsel einer abgearbeiteten Kanne erfolgt ein nahtloser Übergang von einen Hybridband zum nächsten, indem die Enden der Hybridbänder verdrillt oder verschweißt werden.

Ausführungsbeispiel 2

Zwei Hybridbänder (1) aus Aramid- und Polyamid-6-Stapelfasern mit einer Bandfeinheit von je 20 ktex, einer mittleren Faserlänge der Aramid- und Polyamid-6-Fasern von 40 mm und einem Aramidfaseranteil von 20 Gew.-% werden in die Einzugszone (4) einer Schnecken-Kolbenspritzgießmaschine (5) eingezogen und im Zylinder bei einer Temperatur von 250°C plastifiziert. Nach der Aufdosierung und Plastifizierung des Materials wird die langfaserverstärkte Formmasse in ein temperiertes Werkzeug eingespritzt. Durch die Direktverarbeitung von Aramidfasern als Hybridband wird die Dosierung sehr langer Fasern ermöglicht. Außerdem wird die Faserlänge der Verstärkungsfasern durch die nur einmalige Verarbeitung in einer Schneckenmaschine weniger verkürzt als bei einer mehrfachen Beanspru­ chung durch Extrusion und Spritzguß. Dadurch können Bauteile mit hoher Schlagzähigkeit in einem Verarbeitungsschritt direkt aus Verstärkungsfasern und Matrixfasern hergestellt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststofferzeugnissen mit Langfaserverstärkung, insbesondere mit endlich langen Verstärkungsfasern, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Hybridbänder aus Verstärkungs­ fasern und thermoplastischen Matrixfasern als deren Trägermaterial in Schnec­ kenmaschinen eingezogen werden und durch Aufschmelzen der thermoplasti­ schen Matrixfasern ein plastifizierbares Material entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandfeinheit in einem Bereich von 5-30 ktex liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstär­ kungsfaseranteil in einem Bereich von 10-60 Gew.-% liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstär­ kungsfasern im Hybridband eine mittlere Faserlänge zwischen 30 und 200 mm haben.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixfasern im Hybridband eine mittlere Faserlänge zwischen 30 und 200 mm haben.