DE19756126C2 - Verfahren zur Herstellung von langfaserverstärkten Kunststofferzeugnissen durch Plastifizierung von Hybrid-Faserbändern auf Schneckenmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von langfaserverstärkten Kunststofferzeugnissen durch Plastifi­ zierung 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 Kohlefa­ sern und Aramidfasern als Verstärkungsmaterialien eingesetzt. Bedingt durch die großen Verstärkungsfaserlängen können mit langfaserverstärkten Thermoplasten bessere mechanische Eigen­ schaften als mit thermoplastischen Kurzfaserverbunden erzielt werden. Vor allem das große Energieaufnahmevermögen bei schlag- oder stoßartiger Beanspruchung und das sichere Bruch­ verhalten (kein Splitterbruch) zeichnen die langfaserver­ stärkten Kunststoffe aus. Aber auch die Zug- und Biegeeigen­ schaften der Langfaserverbunde übertreffen die Werte von kurzfaserverstärkten Thermoplasten deutlich.

Die Verarbeitung von langfaserverstärkten Thermoplasten kann auf konventionellen Spritzgieß-, Extrusions- oder anderen Plastifiziermaschinen erfolgen. Dazu ist aber in der Regel eine sorgfältige Optimierung der Prozeßbedingungen erforder­ lich, um bei der Verarbeitung die Faserlänge der Verstär­ kungsfasern 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 rieselfä­ higen Langfasergranulaten.

Langfasergranulate werden gegenwärtig hauptsächlich im Pul­ trusionsverfahren 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 Schmelzepultrusionsverfahren. Prinzip des Verfahrens ist der kontinuierliche Einzug von Verstärkungsfa­ sersträngen (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 vorimprä­ gnierte Verstärkungsfaserrovings (Prepregs) eingesetzt wer­ den.

Voraussetzung zur Verarbeitung von Faserverbunden im Pultru­ sionsprozeß 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 Kohlenstoffasern ist das kein Problem, da die Verstär­ kungsfasern bei der Herstellung kontinuierlich aus Düsen abgezogen und zu Rovings gefacht werden. Derartige Rovings können bei der Pultrusion von Spulen abgewickelt und mit hohen Zugkräften beaufschlagt werden. Bei Einsatz von Ver­ stärkungsfasern mit endlicher Faserlänge (z. B. Naturfasern, Polymer-Stapelfasern, Reißfasern aus Recyclingprozessen u. a. endliche Verstärkungsfasern) ist das allerdings nicht mög­ lich. Aus derartigen Fasern können nur Faserbänder oder Fasergarne mit geringer Zugfestigkeit hergestellt werden. Die Herstellung von Langfasergranulat nach dem Pultrusionsverfah­ ren ist deshalb bei diesen Materialien nicht möglich. Eine andere Möglichkeit der Dosierung von langen Verstär­ kungsfasern ist der direkte Einzug von endlosen Verstärkungs­ fasersträngen in Schneckenmaschinen. (EP 0 124 003 B1, DE 42 36 662 C2). Beim Direkteinzug von Verstärkungsfaserrovings wird das Verstärkungsfasermaterial 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 Maschinenkonfi­ guration voraus (EP 048 590 B1, EP 340 873 A1, DE 42 36 662 C2). Diese Variante der. Faserdosierung erfordert allerdings auch endlose Verstärkungsfaserrovings um einen kontinuierli­ chen Fasereinzug sichern zu können.

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zu­ nächst mit Hilfe einer Krempelmaschine Hybridbänder aus endlich langen Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixfasern als deren Trägermaterial hergestellt werden, wobei ein oder mehrere dieser Bänder in eine Schneckenmaschi­ ne eingeführt wird (werden), so dass durch Aufschmelzen der thermoplastischen Matrixfasern ein plastisch verformbarer langfasriger Formstoff entsteht. Dabei wird mit dem Mi­ schungsverhältnis 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.

Die Hybridbänder (1) können Plastifizier- oder Spritzgießma­ schinen (5) direkt in der Einzugszone (4) zugeführt werden. Der Füllvorgang bei Plastifizier- oder Spritzgießmaschinen erfolgt durch die Rotation der Schnecke, wodurch die Hybrid­ bänder in den Zylinder eingezogen werden. Die Einzugsge­ schwindigkeit und dosierte Menge des Materials kann durch die Schneckendrehzahl, Anzahl und Stärke der Hybridbänder gesteu­ ert werden.

Im beheizten Zylinder werden die thermoplastischen Matrixfa­ sern bei den entsprechenden Verarbeitungstemperaturen aufge­ schmolzen, so daß ein plastisch verformbarer, langfaser­ verstärkter Formstoff entsteht. Die Dosierung der Hybridbän­ der 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.

Das Hybridband zur Durchführung des Verfahrens hat vorzugs­ weise eine Bandfeinheit die in einem Bereich von 5 bis 30 ktex liegt.

Der Verstärkungsfaseranteil liegt insbesondere in einem Bereich von 10 bis 60 Gew.-%.

Die Verstärkungsfasern im Hybridband haben eine mittlere Faserlänge zwischen 30 und 200 mm

Die Matrixfasern im Hybridband haben eine mittlere Faserlänge zwischen, 30 und 200 mm.

Hauptvorteil des beschriebenen Verfahrens ist die Möglich­ keit, endlich, lange, schlecht rieselfähige Verstärkungsfasern auf Schneckenmaschinen kontinuierlich zu verarbeiten. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gegenüber konventionbellen Verarbeitungstechniken ist die geringe thermische Beanspru­ chung der Verstärkungsfasern durch die nur einmalige Tempera­ turbeanspruchung. Dadurch können auch temperaturempfindliche Verstärkungsfasern schonend verarbeitet werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungs­ beispielen und der Zeichnung näher erläutert:

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 Schnec­ ken-Kolbenspritzgießmaschine (5) zugeführt. Der Schnecken­ durchmesser der Plastifizierschnecke der Spritzgießmaschine beträgt 30 mm. Zu Beginn des Spritzgießvorgangs wird der Anfang des zu verarbeitenden Hybridbandes in den Schnecken­ gang eingeführt bis das Band durch die Rotation der Schnecke kontinuierlich in den Zylinder eingezogen wird. Die Schnecke rotiert dabei solange, bis das erforderliche Schuß­ volumen 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 Formmasse 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 Faser­ länge 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 Werk­ zeug eingespritzt. Durch die Direktverarbeitung von Aramidfa­ sern als Hybridband wird die Dosierung sehr langer Fasern ermöglicht. Außerdem wird die Faserlänge der Verstärkungsfa­ sern durch die nur einmalige Verarbeitung in einer Schnecken­ maschine 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 Kunst­ stofferzeugnissen mit Langfaserverstärkung, bei dem ein Hybridband aus endlich langen Verstärkungsfasern und ther­ moplastischen Matrixfasern als deren Trägermaterial herge­ stellt wird, wobei ein oder mehrere dieser Bänder in eine Schneckenmaschine eingeführt wird (werden), so dass durch Aufschmelzen der thermoplastischen Matrixfasern ein plastisch verformbarer langfasriger Formstoff entsteht.

2. Hybridband zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandfeinheit in einem Bereich von 5 bis 30 ktex liegt.

3. Hybridband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaseranteil in einem Bereich von 10 bis 60 Gew.-% liegt.

4. Hybridband nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern im Hybridband eine mittlere Faserlänge zwischen 30 und 200 mm haben.

5. Hybridband nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixfasern im Hybridband eine mittlere Faserlänge zwischen 30 und 200 mm haben.