DE202016002946U1 - Verbundwerkstoff - Google Patents

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Abstract

Ein Verbundwerkstoff enthaltend ein oder mehrere Schichten eines Gemisches umfassend geöffnete, rieselfähige Naturstofffasern und einen oder mehrere Kunststoffe, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Oberflächen dieses Verbundwerkstoffes kaschiert sind.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff enthaltend eine oder mehrere Schichten eines Gemisches umfassend geöffnete, rieselfähige Naturstofffasern, insbesondere Bambusfasern, und einen oder mehreren Kunststoffen.
  • 2. STAND DER TECHNIK
  • Bambus findet sich heutzutage im verstärkten Maß im Einsatz. Das exotische Grasgewächs wird für Parkettböden, Dächer, Spielsachen, Armaturen in PKWs und Möbel eingesetzt (z. B. Lufthansa exclusive 1/2013, S. 60–65). Bambus ist ein schnellwachsender Rohstoff. In vielen südlichen Ländern gibt es große Bambuswälder, die geerntet und schnell nachwachsen. In China werden Bambusfasern auch bei Textilien eingesetzt, aber nur in einer sehr geringen Menge, da der Herstellungsprozess zu teuer ist.
  • Hinzu kommt, dass Bambusfasern im getrockneten Zustand – wiederum im Gegensatz zu vielen anderen Naturfasern – praktisch keine Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen.
  • Bambusfasern weisen im Gegensatz zu Kohle-, Glas-, Stahl- oder Aramidfasern durch ihre raue Struktur eine große Oberfläche auf. Dies führt zu einer besonders innigen Verbindung mit der Kunststoffmatrix.
  • Bambusfasern sind zudem ein nachwachsender Rohstoff, der im Vergleich zu den herkömmlicherweise verwendeten Fasern, aber auch im Vergleich zu anderen Naturfasern, sehr kostengünstig ist.
  • Eine Methode zur Bambusaufbereitung wird in dem US Patent US 4,857,145 dahingehend vorgeschlagen, durch die Kombination von unterschiedlichen Chemikalien mit der Anwendung von erhöhtem Druck vorzerkleinerter Bambus in seine Faserbestandteile aufgelöst wird und dann als Bambusfaserpulpe für weitere Verfahrensschritte z. B. der Zellstoffgewinnung zur Verfügung steht.
  • Andere Bambusaufbereitungstechnologien befassen sich damit, den Rohstoff in grobe Stücke zu zerschneiden und ggf. vor dem Einbau als Betonbewehrungsmaterial zusätzlich längs zu spalten oder in Streifen zu zerschneiden (z. B. in US 5,840,226 oder in EP 0 666 155 A1 ).
  • Aus der britischen Patentanmeldung GB 2 303 152 A und dem US Patent US 6,086,804 ist bekannt, den Rohbambus im Spalt rotierender Walzen zu zerquetschen, anschließend das komprimierte Material maschinell in gleiche Stücklängen zu zerlegen oder in einem Brecher zu zerkleinern, um danach die Bruchstücke mit Stachelwalzen aufzulösen und anschließend eine maschinelle Trennung der faserhaltigen Partikel von solchen ohne nennenswerte Faseranteile zu erreichen.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 101 15 831 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von rieselfähigen Bambusfasern, die den Zweck der Verstärkungsfasern erfüllen, wobei die Verfahrensschritte der Vorzerkleinerung und der ein- oder mehrstufige Zerfaserungen und der Klassierung zur Anwendung kommen, wobei den ein- oder mehrstufigen Zerfaserungsverfahrensschritten jeweils vorgewärmte und nicht vorgewärmte Zuluft zugegeben wird, und dass nach jeder Zerfaserungsstufe eine Feststoffabtrennung mit oder ohne Klassiereinrichtung vorgesehen ist.
  • In der europäischen Patentanmeldung EP 2 677 073 wird ein Verfahren zur Herstellung von vliesbaren Bambusfasern beschrieben, wobei der Rohbambus mit gebranntem Kalk behandelt, zerfasert und anschließend getrocknet wird.
  • In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 060 500 wird ein mit einem Gehalt von bis zu 40 Gewichts-% Bambusfasern verstärkter Kunststoffvorgeschlagen.
  • Die Struktur der Oberflächen dieser mit Bambusfasern verstärkten Kunststoffe ist vergleichsweise rau und neigt dazu, beim Erwärmen klebrig zu werden. Sie sind daher für die Herstellung von Formkörpern, insbesondere im Automobilbau wenig geeignet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit Verbundwerkstoffe zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile der vorbekannten mit Bambusfasern verstärkten Kunststoffe nicht aufweisen und aus denen leicht stabile Formkörper für den Automobilbau hergestellt werden können.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass Verbundwerkstoffe aus einer oder mehreren Schichten, die geöffnete, rieselfähige Naturstofffasern und einen oder mehrere Kunststoffe enthalten, und mindestens eine kaschierte Oberfläche aufweisen, diesen Anforderungen hervorragend gerecht werden.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verbundwerkstoff enthaltend ein oder mehrere Schichten eines Gemisches umfassend geöffnete, rieselfähige Naturstofffasern, insbesondere geöffnete rieselfähige Bambusfasern, und einen oder mehrere Kunststoffe, wobei eine oder mehrere Oberflächen dieses Verbundwerkstoffes kaschiert sind.
  • Überdies haben Bambusfasern eine antibakterielle Wirkung, was die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes zur Herstellung von Bauteilen für den medizinischen Bereich erlaubt.
  • Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes umfassend die Schritte
    • (a), Vermischen der geöffneten, rieselfähigen Naturstofffasern mit den entsprechenden Kunststofffasern im gewünschten prozentualen Verhältnis;
    • (b) gegebenenfalls Zusatz eines Schimmel- oder Brandschutzmittels;
    • (c) Verlegen der so vorbereiteten Mischung zu einem Wirrvlies oder Faserflor mit definiertem Flächengewicht;
    • (d) Thermisches Verfestigen des Roh-Vlieses in einem nachfolgenden Ofen und Kalibrierung auf die erforderliche Stärke;
    • (e) Kaschierung mindestens einer Oberfläche mit dem gewünschten Material.
  • Die dazu erforderlichen vließfähigen Naturstofffasern können in an sich bekannter Weise, wie zum Beispiel in der DE 101 15 831 oder der EP 2 677 073 beschrieben, hergestellt werden. Diese Verfahren ermöglichen es, eine sehr große Menge der vliesbaren Bambusfasern ökonomisch und ohne Umweltbelastung herzustellen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundwerksstoffes zur Herstellung von Formkörpern durch Verpressen in einem Thermobonding Verfahren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNG
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbundplatte im Querschnitt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Als Kunststoffkomponente kommen alle Thermoplaste und Duroplaste in Frage. Bevorzugt sind Polyethylene, Polypropylene, Polybutylene, Polyurethane, Polyacrylate, Polymethacrylate, Polycarbonate, Polyester, Polyamide, Polyacetale und Polyvinylchloride sowie Gemische oder Copolymere davon.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe sind solche, wobei
    • (A) die Naturstofffasern innerhalb mindestens einer Schicht randomisiert oder einheitlich entlang ihrer Längsrichtung angeordnet sind;
    • (B) die Naturstofffasern Bambusfasern, insbesondere zuckerhaltige Bambusfasern sind;
    • (B1) die Bambusfasern durch Zerkleinern von frisch geernteten, jungen Bambusstangen erhältlich sind;
    • (B2) die Bambusfasern eine durchschnittliche Länge von 30 bis 80 mm und/oder eine durchschnittliche Faserdicke von 0,1 bis 1,5 mm aufweisen.
    • (C) der Verbundwerkstoff mindestens zwei Schichten eines Gemisches umfassend geöffnete und rieselfähige Naturstofffasern und einen oder mehreren Kunststoffen, wobei innerhalb von mindestens zwei Schichten die Naturstofffasern entlang ihrer Längsrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Naturstofffasern in diesen Schichten jeweils im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind;
    • (D) mindestens ein Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe der bestehend aus Polyethylen und Polypropylen oder Gemischen oder Co-polymeren daraus; Vorzugsweise enthält das Gemisch aus Naturstofffasern und Kunststoff mehr als 40 Gewichts-% an Naturstofffasern, insbesondere 45 bis 75, meist bevorzugt 50 bis 70 Gewichts-% an Naturstofffasern. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Gemisch 45 bis 75 Gew.-% rieselfähige Bambusfasern und 55 bis 25 Gew.-% Polypropylen.
    • (E) das Gemisch aus Naturstofffasern und mindestens einem Kunststoff zusätzlich ein oder mehrere Additive ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Flammschutz-, Schimmelschutzmittel, Farbstoffe und Pigmente enthält;
    • (F) das Gemisch aus Naturstofffasern und mindestens einem Kunststoff mit einer Kunststofffolie, einer Metallfolie, einem Vlies oder einem Stoffkaschiert ist;
    • (G) er eine Verbundplatte ist, deren obere und/oder untere Oberfläche kaschiert sind.
  • Zur Herstellung der rieselfähigen Bambusfasern werden bevorzugt längs gespaltene und abgelängte Bambusstangen mittels Zuführband einer Einzugswalze zugeführt, und dort zwischen Mulde und Walze verdichtet. Durch den Vorschub wird der so zugeführte Rohbambus gehalten und langsam der dahinter angeordneten schnell laufenden Öffnerwalze vorgelegt. Diese erfasst die einzelnen Faserbündel und reißt sie aus dem komprimierten gespaltenen Bambusmaterial und zerfasert es in Einzelfasern. Die Garnitur der Öffnerwalze richtet sich nach der zu gewinnenden Faser. (Nadel oder Ganzstahlgarnitur in verschiedener Ausführung).
  • Eine gesonderte Entzuckerung, d. h. das Entfernen des im Bambus enthaltenen Zuckers ist dabei nicht vorgesehen.
  • Die so gewonnenen Fasern werden je nach gewünschtem Öffnungsgrad am Ausgang abgesaugt und können einer Presse oder einer nachgeschalteten Öffnungsstufe gleicher Ausführung mit automatischer Beschickung zur weiteren Auflösung zugeführt werden.
  • Die so erhaltenen Naturstofffasern werden in einer Fasermischanlage (zum Beispiel: Faser Öffnungs- und Mischanlagen der Firma Josef Stummer Konstruktion GmbH & Co. KG, Industriepark 18, 56291 Wiebelsheim, Germany) mit der entsprechenden Kunststoff Faser gemischt und danach entweder in einem Airlay als Wirrvlies gelegt, oder einer Krempelmaschine als Faserflor gelegt, unter Erwärmung verfestigt.
  • Die erwärmte Bambusfasermatte wird mittels einer gekühlten Presse oder einer gekühlten Form auf die gewünschte Stärke verdichtet und nach Bedarf mit einem duroplastischen Kleber kaschiert. Das Abkühlen kann auch in einer gekühlten Pressform geschehen. (Platten oder Formstücke).
  • Die so hergestellten Platten oder Formteile eignen sich hervorragend als Bauteile für den Automobil-, Wohnmobil- und Wohnwagenbau.
  • Während bestimmte spezifische Ausführungsformen der Erfindung in den nachfolgenden Beispielen gezeigt und beschrieben werden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Veränderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung in ihren breiteren Aspekten abzuweichen.
  • Ausführungsbeispiele:
  • Beispiel 1 (randomisierte Bambusfasern)
  • Eine Fasermischung bestehend aus rieselfähiger Bambusfaser (250 kg) von einer mittleren Länge von etwa 60 mm sowie eine rieselfähige Polyproylenfaser (250 kg) werden in einen Airlay umfassend einen Feinbeschickungskasten, einen volumetrischen Rüttelschacht, ein Wiegeband, einen Feinöffnerkopf und einen Vliesbildner (zum Beispiel: Fabrikat Stummer VEWE-222-00 Vertical Web Former der Firma Josef Stummer Konstruktion GmbH & Co. KG, Industriepark 18, 56291 Wiebelsheim, Germany) eingeführt und gemischt. Das erhaltene Gemisch wird auf einer ebenen Fläche zu einem Wirrvlies mit definiertem Flächengewicht gelegt um in Längs & Querrichtung eine gleichmäßige Zugfestigkeit aufzuweisen. Das Roh-Vlies wird in einem nachfolgenden Ofen bei etwa 200°C und Atmosphärendruck thermisch verfestigt und auf gewünschte Stärke kalibriert. Der Zuschnitt in Längs & Querrichtung auf Endmaß erfolgt in Linie nach dem Ofen.
  • Die obere und untere Kaschierung des Verbundstoffs kann inline vor der thermischen Verfestigung erfolgen, oder wird im Zuge der Verformung mittels einer Presse durchgeführt. Hierzu wird das Wirrvlies auf ca. 200°C erhitzt, mit und als Sandwich bestehend aus Deckschicht oben, Mittellage Wirrvlies, Deckschicht unten in eine Pressform eingelegt, auf gewünschte Endstärke gepresst und bis zum erstarren des Thermoplasts in der Form belassen.
  • Der schematische Querschnitt eines so erhaltenen Produktes entlang seiner Längsseite ist in 1 dargestellt. Das Wirrvlies aus in Polypropylen eingebettetem Bambusfasern (2) ist Sandwich-artig von der oberen Deckschicht (1) und der unteren Deckschicht (3) eingeschlossen.
  • Beispiel 2 (längs gerichtete Bambusfasern)
  • Eine Fasermischung bestehend aus rieselfähiger Bambusfaser (250 kg) von einer mittleren Länge von etwa 60 mm sowie rieselfähige Polypropylenfaser (250 kg) werden einer Krempel (vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Kardieren) zugeführt und die einzelnen Fasern parallelisiert. Das so gewonnene Faserflor weist in Längs & Querrichtung eine unterschiedliche Zugfestigkeiten auf. Ein nachgeschalteter hat Kreuzleger legt mehrere Lagen des gekrempelten Faserflors präzise und auf die benötigte Breite sowie das gewünschte Flächengewicht. Das so erhaltene mehrlagige Roh-Vlies wird in einem nachfolgenden Ofen bei etwa 200°C und Atmosphärendruck thermisch verfestigt und auf gewünschte Stärke kalibriert. Der Zuschnitt in Längs und Querrichtung auf Endmaß erfolgt in Linie nach dem Ofen.
  • Die obere und untere Kaschierung des Verbundwerkstoffs wird im Zuge der Verformung mittels einer Presse durchgeführt. Hierzu wird das Vlies auf ca. 200°C erhitzt und als Sandwich bestehend aus Deckschicht oben, Mittellage Vlies, Deckschicht unten in eine Pressform eingelegt, auf gewünschte Endstärke gepresst und bis zum erstarren des Thermoplasts in der Form belassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • EP 2677073 [0010, 0018]
    • DE 102005060500 [0011]

Claims (12)

  1. Ein Verbundwerkstoff enthaltend ein oder mehrere Schichten eines Gemisches umfassend geöffnete, rieselfähige Naturstofffasern und einen oder mehrere Kunststoffe, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Oberflächen dieses Verbundwerkstoffes kaschiert sind.
  2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturstofffasern innerhalb mindestens einer Schicht randomisiert oder einheitlich entlang ihrer Längsrichtung angeordnet sind.
  3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturstofffasern Bambusfasern sind.
  4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bambusfasern durch Zerkleinern von frisch geernteten, jungen Bambusstangen erhältlich sind.
  5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bambusfasern eine durchschnittliche Länge von 30 bis 80 mm aufweisen.
  6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bambusfasern eine durchschnittliche Faserdicke von 0,1 bis 1,5 mm aufweisen.
  7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassend mindestens zwei Schichten eines Gemisches umfassend geöffnete und rieselfähige Naturstofffasern und einen oder mehreren Kunststoffen, wobei innerhalb von mindestens zwei Schichten die Naturstofffasern entlang ihrer Längsrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Naturstofffasern in diesen Schichten jeweils im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind.
  8. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kunststoff ausgewählt ist aus der Gruppe der bestehend aus Polyethylen und Polypropylen oder Gemischen oder Co-polymeren daraus.
  9. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Naturstofffasern und mindestens einem Kunststoff zusätzlich ein oder mehrere Additive ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Flammschutzmittel, Schimmelschutz, Farbstoffe und Pigmente enthält.
  10. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Naturstofffasern und mindestens einem Kunststoff mit einer Kunststofffolie, einer Metallfolie, einem Vlies oder einem Stoffkaschiert ist.
  11. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Verbundplatte ist.
  12. Verwendung eines Verbundwerksstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Formkörpern durch Verpressen in einem Thermobonding Verfahren.
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