DE19831124A1 - Mit Matten aus thermoplastischen Fasern verstärkter Thermoplast - Google Patents
Mit Matten aus thermoplastischen Fasern verstärkter ThermoplastInfo
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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.
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.
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 (11)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998131124 DE19831124A1 (de) | 1998-07-11 | 1998-07-11 | Mit Matten aus thermoplastischen Fasern verstärkter Thermoplast |
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Publications (1)
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Family
ID=7873739
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DE1998131124 Withdrawn DE19831124A1 (de) | 1998-07-11 | 1998-07-11 | Mit Matten aus thermoplastischen Fasern verstärkter Thermoplast |
Country Status (1)
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