DE19831124A1

DE19831124A1 - Mit Matten aus thermoplastischen Fasern verstärkter Thermoplast

Info

Publication number: DE19831124A1
Application number: DE1998131124
Authority: DE
Inventors: Ernst Zopf; Wolfram Stadlbauer; Wilfried Blauhut; Wolfgang Penz
Original assignee: Borealis Polymere Holding AG
Current assignee: Borealis Polymere Holding AG
Priority date: 1998-07-11
Filing date: 1998-07-11
Publication date: 2000-01-13

Abstract

Fasermassenverstärker Thermoplast, der als Verstärkungsfasern thermoplastische Fasern, deren Schmelzpunkt mindestens 20 DEG C höher ist als der Schmelzpunkt der Matrix-Thermoplasten und deren Bruchdehnung im Zugversuch mindestens 10% beträgt, allein oder gegebenenfalls in Kombination mit anderen Verstärkungsfasern enthält. Die fasermattenverstärkten Thermoplaste werden bevorzugt zur Herstellung von Preßteilen eingesetzt, die sich durch eine gute Faserverteilung auszeichnen.

Description

Die Erfindung betrifft mit Matten aus thermoplastischen Fasern verstärkte Ther moplaste sowie daraus hergestellte Preßteile.

Faserverstärkte Thermoplastbahnen bzw. Thermoplastplatten, wie sie beispielsweise aus EP 300237 B oder EP 345463 B bekannt sind, sind hochwertige Konstruktions werkstoffe, die üblicherweise in weiterer Folge in einem Heißpreßvorgang in beheiz ten Formpressen unter Druck zu den gewünschten Formteilen fertiggepreßt werden. Sie werden hauptsächlich im Maschinen- und Apparatebau, in der Auto- und Flug zeugindustrie sowie für Sport- und Haushaltsgeräte verwendet.

Insbesondere zur Herstellung von komplizierten Teilen, bei denen das Material beim Preßvorgang in der Preßform in kurzer Zeit große Fließstrecken zurücklegen muß, wobei nicht nur Matrixpolymer, sondern auch Fasern bis in die entferntesten Teile der Form transportiert werden müssen, wird die Faser bevorzugt in Form von Schnittfasermatten eingesetzt.

Als Verstärkungsfasern werden vor allem Glasfasern eingesetzt. Für Einsatzgebiete, in denen besonders hohe Steifigkeiten und geringes Gewicht gefordert werden, kommen beispielsweise auch Carbonfasern oder Aramidfasern in Frage. Durch die Faserverstärkung wird im Vergleich zu unverstärkten Thermoplasten vor allem eine höhere Festigkeit und eine höhere Steifigkeit (Erhöhung des E-Moduls) erreicht, wo bei jedoch gleichzeitig auch eine Verminderung der Bruchdehnung eintritt. Diese re duzierte Bruchdehnung stellt jedoch für verschiedene Anwendungen, beispielsweise für stoß- oder steinschlaggefährdete Bauteile oder Verkleidungen in Kraftfahrzeugen, einen entscheidenden Nachteil dar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand demnach vor allem im Auffinden von Werkstoffen, die diese Nachteile nicht aufweisen und insbesondere höhere Bruchdehnungen aufweisen, wobei jedoch trotzdem höhere Festigkeiten als bei un verstärkten Thermoplasten erzielt werden sollten.

Derartige Werkstoffe mit guten Festigkeiten und gleichzeitig hoher Bruchdehnung konnten erfindungsgemäß durch die Verwendung von Fasermatten aus Thermopla sten als Verstärkungsfasern für den Matrix-Thermoplasten erhalten werden.

Gegenstand der Erfindung ist demnach ein fasermattenverstärkter Thermoplast, bei dem als Verstärkungsfasern thermoplastische Fasern, deren Schmelzpunkt minde stens 20°C, bevorzugt mindestens 40°C höher ist als der Schmelzpunkt des Matrix- Thermoplasten und deren Bruchdehnung im Zugversuch (gemäß ISO 527) minde stens 10% beträgt, allein oder gegebenenfalls in Kombination mit anderen Verstär kungsfasern verwendet werden. Die Bruchdehnung der Fasern beträgt bevorzugt mindestens 12%.

Als Matrixpolymere sind alle thermoplastisch verarbeitbaren Polymere einsetzbar. Bevorzugt verwendet werden Polyolefine, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, Polyamide (z. B. Polyamid 6), Polyester, beispielsweise Polybutylenterephthalat, wo bei sowohl Homopolymere als auch Copolymere möglich sind. Besonders bevorzugt sind Polypropylen-homo- oder -copolymere. Der MFI (gemessen gemäß DIN 53735 bei 230°C und 2,16 kg) liegt im Falle der Verwendung von Polypropylenen vorteil hafterweise bei mindestens 100 g/10 min, noch besser bei mindestens 250 g/10 min.

Für die Fasermatten können alle Thermoplaste, die sich zu Fasern verarbeiten las sen, wie z. B. Polyolefine, Polyamide, Polyester, Polycarbonate, Polyurethane, Poly phenylenoxid, Polyphenylensulfld, Polysulfone, Polypropylene, Polyamide, bei spielsweise Polyamid 66 oder Polyamid 46, sowie Polyester, beispielsweise Polye thylenterephthalat. Die Faserlängen liegen üblicherweise bei 30 bis 150 mm, bevor zugt bei 50 bis 100 mm. Der Fasertiter liegt bevorzugt bei etwa 3 bis 150 dtex, be sonders bevorzugt bei 17 bis 70 dtex. In Abhängigkeit vom verwendeten Polymer sowie von den Verfahrensbedingungen bei der Faserherstellung liegt die Bruchdeh nung der Fasern zwischen 10% und etwa 100%, wobei die Obergrenze der Bruch dehnung bevorzugt bei maximal 60% liegt.

Die Fasern können auf üblichen Vliesbildeanlagen, wie z. B. Karden mit Täflern oder pneumatischen Vliesbildnern zu Matten geformt werden. Das Mattengewicht liegt bevorzugt bei 100 bis 1000 g/m², besonders bevorzugt bei 300 bis 600 g/m².

Die Herstellung der erfindungsgemäßen fasermattenverstärkten Thermoplaste erfolgt beispielsweise durch Aufschmelzen des Matrixpolymers gegebenenfalls gemeinsam mit üblichen Additivs, wie z. B. Stabilisatoren, Pigmenten, Füllstoffen (z. B. Talkum, Glimmer, Kreide), Gleitmitteln, Nukleierungsmitteln, Flammschutzmitteln, etc. in ei nem Extruder, Extrusion durch eine oder mehrere Breitschlitzdüsen, Zusammenbrin gen in noch flüssigem Zustand mit einer oder mehreren Fasermatten, sowie an schließendes Verpressen und Abkühlen, vorzugsweise kontinuierlich zwischen den Bändern einer Doppelbandpresse. Die erhaltenen Verbundplatten lassen sich zu qualitativ hochwertigen Formteilen mit gleichmäßiger Faserverteilung und guter Oberflächenqualität verpressen.

Der Anteil an Verstärkungsfasern im fertigen Verbund liegt etwa im Bereich von 10 bis 40 Gew.-%, bevorzugt von 20 bis 30 Gew.-%. Es ist auch möglich, Matten mit ver schiedenen Verstärkungsfasern zu verwenden. Entsprechend den speziellen Anfor derungen an das Eigenschaftsprofil der fertigen Verbunde ist es gegebenenfalls auch möglich, die thermoplastischen Verstärkungsfasern in Kombination mit anderen Ver stärkungsfasern, wie z. B. Glas-, Kohle- oder Aramidfasern zu verwenden.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr unvorhergesehenerweise gelungen, thermoplastische Fasern in thermoplastische Matrixpolymere einzuarbeiten und den entstandenen Verbund auch zu Fertigteilen zu verarbeiten, wobei die mechanischen Eigenschaften der Fasern so weit erhalten bleiben, daß Verbundbauteile mit gegen über Glasfaserverstärkung nur moderat abgesenktem E-Modul, aber wesentlich er höhter Bruchdehnung erhalten werden. Werte für die Bruchdehnung (gemessen ge mäß ISO 527 im Zugversuch) liegen dabei beispielsweise im Fall von Polypropylen als Matrixpolymer im Bereich von etwa 40%, die Zugfestigkeit (ISO 527) im Bereich von etwa 44 MPa und der Zug-E-Modul (ISO 527) im Bereich von etwa 2500 MPa. Die vergleichbaren Werte für glasfaserverstärktes Polypropylen liegen dabei im Be reich von etwa 1,8% für die Bruchdehnung, von etwa 60 MPa für die Zug-Festigkeit und von etwa 4500 MPa für den Zug-E-Modul. Für ein unverstärktes Polypropylen liegen die entsprechenden Werte (Daplen BE 60, MFI (230°C/2,16 kg) 0,3, von PCD-Polymere) bei etwa 500% für die Bruchdehnung, 40 MPa für die Zugfestigkeit und 1200 MPa für den E-Modul. Als zusätzlichen Vorteil zeigen die erfindungsgemä ßen fasermattenverstärkten Thermoplaste eine geringere Dichte als glasfaserver stärkte Thermoplaste. Beispielsweise beträgt die Dichte bei 25 Gew.-% Polyesterfa ser in einer Polypropylenmatrix ca. 1 g/cm³, im Vergleich zu etwa 1,08 g/cm³ bei glasmattenverstärktem Polypropylen bei gleichem Faseranteil.

Die erfindungsgemäßen fasermattenverstärkten Thermoplaste werden bevorzugt zur Herstellung von Preßteilen verwendet, wobei die erwärmten Thermoplaste in ent sprechenden Formpressen verpreßt werden. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind demnach Preßteile, die aus erfindungsgemäßen fasermattenverstärkten Ther moplasten hergestellt werden. Dabei ist eine möglichst homogene Faserverteilung im Preßteil wesentlich, insbesondere dann, wenn das Material beim Preßvorgang grö ßere Wege in der Form zurücklegen muß. Es besteht speziell in diesem Fall die Ge fahr der Entmischung, d. h. die Gefahr, daß die Fasern nicht in gleichem Maß trans portiert werden wie die aufgeschmolzene Matrix. Im Extremfall wird Matrix aus dem Einleger herausgepreßt und bildet allein die Fließfront. Im fertigen Preßteil (Preßling) entstehen dann besonders an den vom Einleger am weitest entfernten oder vom Fließvorgang schlecht zu erreichenden Bereichen des Preßteils (z. B. Rippen) Zonen mit verringertem Fasergehalt, im Extremfall gänzlich faserfreie Zonen. Dieses Pro blem tritt bei den erfindungsgemäßen mit Thermoplastfasermatten verstärkten Ther moplasten überraschenderweise nicht auf. Die erhaltenen Preßteile besitzen auf grund des guten Fasertransportes beim Verpressen eine sehr gute und gleichmäßige Faserverteilung. Der Fasertransport ist dabei so gut, daß z. B. beim Verpressen eines einseitig in eine rechteckige ebene Form eingelegten aufgeheizten Einlegers, dessen Fließfront beim Pressen einen Weg zurückzulegen hat, der mindestens der Entfer nung von der Formpresse bis zur ursprünglichen Kante des Einlegers entspricht, der Fasergehalt des entstandenen Preßlings, gemessen in Proben, die höchstens 3 Gew.-% des Preßlings darstellen und eine Gesamtoberfläche von mindestens 85 cm² besitzen, mindestens 80% des Fasergehaltes des Einlegers beträgt. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind demnach Preßteile, die aus erfindungsgemäßen fa sermattenverstärkten Thermoplasten hergestellt werden, deren Fasergehalt, gemes sen in Proben, die höchstens 3 Gew.-% des Preßlings darstellen und eine Gesamt oberfläche von mindestens 85 cm² besitzen, mindestens 80% des Fasergehaltes des eingesetzten Thermoplasten beträgt.

Beispiel 1 Herstellung der fasermattenverstärkten Thermoplaste

Eine Polyester-Stapelfaser aus Polyethylenterephthalat (17 dtex, 60 mm Schnittlän ge, Schmelzpunkt 255°C, Bruchdehnung gemäß ISO 527: 50%) wurde auf einer Nadelfilzanlage, bestehend aus Krempel, Täfler, Vor- und Hauptnadelmaschine so wie Wickler zu Fasermatten von 500 g/m² verarbeitet. Auf eine Matte wurde eine Schicht Polymer-Schmelze von 3000 g/m² aus Daplen PP XS 80 (MFI 2,16/230 250 g/10 min, Schmelzpunkt 169°C) mittels einer Breitschlitzdüse aufextrudiert und eine zweite Fasermatte (500 g/m²) oben aufgelegt. Das System Matte - Schmelze - Matte wurde mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min einer Doppelbandpresse zuge führt und in dieser mit einem Druck von 150 N/cm² bei 200°C und einer Verweilzeit im Durchlauf von 6 min verpreßt. Erhalten wurde ein Polyestermatten-verstärktes PP von 4 mm Dicke, einem Fasergehalt von 25 Gew.-%, einer Dichte von 0,99 g/cm³, einer Bruchdehnung im Zugversuch von 40%, einer Zugfestigkeit von 44 MPa und einem Zug-E-Modul von 2500 MPa.

Beispiel 2 Herstellung eines Preßteiles

3 Zuschnitte des gemäß Beispiel 1 erhaltenen Halbzeugs mit den Abmessungen von je 240 × 166 × 3,7 mm wurden in einem Kontaktofen auf 200°C erwärmt, übereinan der gestapelt, einseitig in die Kavität eines plattenförmigen Tauchkantenwerkzeugs mit den Abmessungen 590 mm × 250 mm eingelegt und mit einer Preßkraft von 2000 kN verpreßt. Beim Verpressen füllte das vorliegende Composit (PP-Matrix und Poly esterfaser-Verstärkung) die Kavität vollflächig aus.

Die verpreßte Platte war 2 mm dick und wurde in Streifen von 15 mm × 250 mm ge schnitten. Bei der Bestimmung der Faserverteilung zeigten alle der 37,5 cm² großen Streifen (entsprechend einer Gesamtoberfläche von 85,6 cm²) einen Fasergehalt von über 20 Gew.-%, entsprechend über 80% des ursprünglich eingesetzten Faserge haltes von 25 Gew.-%.

Claims

1. Fasermattenverstärkter Thermoplast, dadurch gekennzeichnet, daß er als Ver stärkungsfasern thermoplastische Fasern, deren Schmelzpunkt mindestens 20°C höher ist als der Schmelzpunkt des Matrix-Thermoplasten und deren Bruch dehnung im Zugversuch mindestens 10% beträgt, allein oder gegebenenfalls in Kombination mit anderen Verstärkungsfasern enthält.

2. Fasermattenverstärkter Thermoplast gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Bruchdehnung der Fasern mindestens 12% beträgt.

3. Fasermattenverstärkter Thermoplast gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Matrixthermoplast Polypropylen (PP) ist.

4. Fasermattenverstärkter Thermoplast gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Schmelzindex (MFI 230/2, 16) des PP mindestens 100 g/10 min be trägt.

5. Fasermattenverstärkter Thermoplast gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Verstärkungsfaser eine Poly esterfaser ist.

6. Fasermattenverstärkter Thermoplast gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die thermoplastische Faser eine Polyamid-Faser ist.

7. Fasermattenverstärkter Thermoplast gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß der Fasertiter 3 bis 150 dtex beträgt.

8. Fasermattenverstärkter Thermoplast gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Fasertiter 17 bis 70 dtex beträgt.

9. Verwendung von fasermattenverstärkten Thermoplasten gemäß einem der An sprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Preßteilen.

10. Preßteile die aus fasermattenverstärkten Thermoplasten gemäß einem der An sprüche 1 bis 8 hergestellt werden.

11. Preßteile gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Fasergehalt, gemessen in Proben, die höchstens 3 Gew.-% des Preßlings darstellen und eine Gesamtoberfläche von mindestens 85 cm² besitzen, mindestens 80% des Fa sergehaltes des eingesetzten Thermoplasten beträgt.