DE2315161A1

DE2315161A1 - Schaumstoffbaukoerper und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2315161A1
Application number: DE2315161A
Authority: DE
Inventors: Charles R Billiu
Original assignee: RES PLASTICS ENGINEERING CO
Current assignee: RES PLASTICS ENGINEERING CO
Priority date: 1972-11-03
Filing date: 1973-03-27
Publication date: 1974-05-16
Also published as: US3903224A; BR7303225D0; IT988609B; JPS4977971A; FR2205403A1; JPS5627370B2; GB1408829A; CA1012698A

Description

Patentanwälte

Dr-In?. Wi])IcIm Enichel BiEl-ώ. V/oi'ecmg HoiGhel

6 Flankmii a. M. 1
paiksiraße 13

RESEARCH PLASTICS ENGINEERING COMPANY, St. Clair Shores,

Michigan, VStA

Schaumstoffbaukörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft Schaumstoffbaukörper und insbesondere solche, die nach dem Schaumspritzgußverfahren aus Polycarbonaten hergestellt sind und die bauliche Ganzheit und die physikalischen Eigenschaften besitzen, die die Voraussetzung dafür bilden, daß die Erzeugnisse als Kraftfahrzeugkarosserieteile verwendbar sind. Ganz besonders betrifft die vorliegende Erfindung derartige Kraftfahrzeugkarosserieteile und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Idee einer Massenherstellung von "thermoplastischen" Kraftfahrzeugen ist schon lange bekannt. Jedoch konnte sie bisher nicht realisiert werden.

Hierfür gibt es eine Anzahl von Gründen. Erstens ist das Mater j al an sich für die Schwierigkeiten bei einer Massenherstellung von Autokarosserien aus einem thermoplastischen

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oder harzartigen Kunststoff unmittelbar verantwortlich. Die bisher verwendeten Materialien besaßen sämtlich eine zu lange Verformungszeit. Im allgemeinen besitzen die bisher verwendeten Materialien, wie Polypropylen, einen niedrigen Schmelzpunkt, der die lange Formzeit erforderlich macht. Diese lange Verformungszeit steht jeglicher Überlegung für eine Massenherstellung im Wege.

Ein weiterer Grund für die Unmöglichkeit, die oben erwähnte Idee zu verwirklichen, besteht darin, daß die bisher verwendeten Materialien, wie beispielsweise Amide, wie Hexamethylenadipinsäureamid, Caprolactame, Polypeptide und dgl., sowie Glasfaser usw. nicht die bauliche Ganzheit gewährleisten, die für moderne Automobile erforderlich ist. Die gegenwärtig bekannten thermoplastischen Materialien, die für Fahrzeugkarosserien verwendet werden, sind entweder schwierig zu bearbeiten, spröde, brennbar oder besitzen schlechte Temperature!genschaften, so daß ihre universelle Verwendbarkeit nicht gegeben ist. Außerdem ist die Reparatur derartiger Karosserien ausgesprochen teuer und schließt die Marktgängigke^. c derartiger Produkte aus. Schließlich geben die gegenwärtig bekannten Produkte dem Fahrzeug ein zu großes Gewicht.

Die Erfindung fußt auf der Entdeckung, daß ein bestimmtes Poiycarbonat zur Herstellung von Kraftfahrzeugkarosserieschaumteilen, die mit der für eine Massenherstellung erforderlichen Schnelligkeit zu einer gesamten Karosserie zusammengesetzt werden können, außerordentlich geeignet ist. Außerdem besitzen die aus dem Schaumstoff hergestellten Bauteile die für vollständige Automobilkarosserien erforderliche Festigkeit und sonstigen physikalischen Eigenschaften.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugkarosserieteils, das dadurch gekennzeichret ist, daß man ein vorgetrocknetes Polycarbonate da.=, im wesentlichen zu etwa 80 bis 99 Gew.% aus einem Polycarbonat ve:: 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) Propan und zu etwa 1 bis 20 Gew.%

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aus Siliciumdioxid besteht, durch Spritzgießen zu einem Karosserieschaumbauteil verformt.

Das Aufschäumen erfolgt in Gegenwart eines Treibmittels während etwa 1/2 bis 6 Hinuten. Das Schaumverformen kann entweder durch Anwendung von hohem oder niedrigem Druck durchgeführt werden, wobei die Form oder die Formaushöhlung bei einer Temperatur von etwa 32 bis 121 ⁰C (90-250 ⁰F) gehalten wird.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist es wesentlich, daß das Polycarbonat praktisch feuchtigkeitsfrei ist. Allgemein ist ein maximaler Feuchtigkeitsgehalt von 0,01596 Wasser, bezogen auf das Gewicht des Polycarbonate, zweckmäßig. Dies kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, daß man das Polymerisat mit einem Trocknungsmittel vortrocknet.

Wie bereits erwähnt, sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Bauteile Schaumbauteile, die auf Jeder geeigneten Spritzgießschaumformmaschine mit hohem oder niedrigem Druck hergestellt werden können.

Das zur Herstellung der Schaumbauteile verwendete Polycarbonat leitet sich von ^,^-(isopropyliden)- Diphenol oder 2,2-bis-(4-hydroxyphenyl)-Propan ab, das gemeinhin als Bisphenol A bekannt ist, und wird im Gemisch mit bestimmten Mengen Siliciumdioxid verwendet.

Überraschenderweise eignet sich das von diesem Bisphenol A abgeleitete Polycarbonat in einzigartiger Weise für die Herstellung von Karosserieteilen, die sämtliche oben erwähnten Nachteile nicht mehr aufweisen, so daß das "thermoplastische" Automobil in Massenproduktion hergestellt werden kann.

Das Polycarbonat wird im allgemeinen durch Umsetzung von Phosgen mit 4,4'-(isopropyliden)-Diphenol oder 2,2-bis-(4-hydroxyphenyl)-Propan der Formel;

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hergestellt. Anstelle von Phosgen kann der Diester eines Diols mit Chlorameisensäure oder ein Gemisch aus Phosgen und dem Diester eines Diols mit Chlorameisensäure bei der Herstellung der Polycarbonate verwendet werden.

Die Herstellung des Polycarbonate aus dem Diester eines Diols mit Chlorameisensäure wird allgemein in wäßriger Lösung durchgeführt, die eine Methylenchloridphase enthält.

Die Diole, aus denen mit Chlorameisensäure die Diester hergestellt werden, können aromatisch, aliphatisch oder alicyclisch sein. Außerdem können sie primär, sekundär oder tertiär sein. Die Kohlenstoffkette der aliphatischen Diole kann gerade oder verzweigt sein und kann 2 bis 20 Kohlenstoffatome enthalten. Beispiele für verwendbare Diole sind Äthylenglycol, 1,6-Hexandiol, 2,5-Norbonandiol, 1,4-Cyclohexandiol, 2,5-Dimethyl-2,5-Hexandiol, 4,4'-Isopropylidendiphenol und dgl.

Die Polycarbonate von Bisphenol A sind im Handel im allgemeinen und der Bezeichnung "Lexan" erhältlich. Die Herstellung der Polycarbonate ist außerdem in vielen Veröffentlichungen beschrieben, beispielsweise den US-Patentschriften 3 254 047 und 3 386 935.

Ein besonders gut geeignetes Polycarbonat von Bisphenol A ist dasjenige, das unter dem Handelsnamen "Lexan 900" und "Lexan 920" von der General Electric Company vertrieben wird. Diese Produkte, die Schmelztemperaturen von etwa 288 bis 302 ⁰C (550 bis 575 ⁰F) aufweisen, werden im allgemeinen aus phosgen- und siliciumdioxidhaltigem Bisphenol A hergestellt. Die Anwesenheit von Siliciumdioxid verleiht dem hergestellten Schaumstoff verbesserte physikalische und Verarbeitungseigenschaften, so daß der erzeugte Bauschaumstoff äußerst gut verwertbar ist.

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Die Anwesenheit von Siliciumdioxid in dem Kunststoff ist auch auf anderen Gebieten von ausschlaggebender Bedeutung. Das Siliciumdioxid macht es nämlich möglich, die Schaumeigenschaften, wie beispielsweise die Hautdicke, die außerdem noch eine Funktion der Formtemperatur ist, die Oberflächenglattheit sowie die Gleichmäßigkeit der Zellen in dem porösen Kern des Bauschaumkörpers zu steuern.

Das Polycarbonat enthält im allgemeinen etwa 80 bis 99 Gew.% Polycarbonat und etwa 1 bis 20 Gev.% Siliciumdioxid; vorzugsweise beträgt der Polycarbonatgehalt etwa 93 bis 97 und der Siliciumdioxidgehalt etwa 3 bis 7 Gew.#.

Gemäß der Erfindung wird das Polycarbonat zur Herstellung von Automobilkarosserieteilen durch Spritzgußschaumformen verwendet.

Das Verfahren besteht ganz allgemein aus dem Schaumspritzgießen des Polycarbonats in Gegenwart eines geeignetes Treibmittels; hierfür muß das Polycarbonat im wesentlichen feuchtigkeitsfrei sein. Wie bereits erwähnt, können beim Schaumspritzgießen Spritztechniken mit hohem Druck oder niedrigem Druck und entsprechende Einrichtungen verwendet werden.

Beispiele für geeignete Treibmittel sind Stickstoff und andere Stickstoff in Freiheit setzende Verbindungen, die wasserfrei sind und sich mit dem Polycarbonat nicht umsetzen.

Die Menge an Treibmittel beträgt im allgemeinen 0,001 bis etwa 0,3%, bezogen auf das Gewicht des Polycarbonats. Vorzugsweise wird das Treibmittel in einer Menge von 0,2 bis etwa 0,3%, bezogen auf das Polycarbonatgewicht, verwendet.

Beim Aufschäumen des Polycarbonats ist es von wesentlicher Bedeutung, daß es praktisch feuchtigkeitsfrei eingesetzt wird. Der optimale Feuchtigkeitsgehalt des Polycarbonats beträgt etwa 0,015% Wasser, bezogen auf das Polycarbonatgewicht. Mit

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Vorteil wird das Polycarbonat vor seiner Verwendung vorgetrocknet. Gewöhnlich kann der Feuchtigkeitsgehalt auf den optimalen Wert durch zwei- bis dreistündiges Trocknen bei einer Temperatur von etwa 107 bis 135 ⁰C (225 bis 275 ⁰F) verringert werden. Nach dem Trocknen ist das Polycarbonat verwendungsfertig. Wird nicht hinreichend getrocknet, kann zwischen dem Polycarbonat und Wasser eine Nebenreaktion stattfinden.

Bei Anwendung einer Schaumspritzgießtechnik mit niedrigem Druck umfaßt das Verfahren im allgemeinen folgende Schritte:

(a) Vortrocknen des Polycarbonate

(b) Einbringen des vorgetrockneten Polycarbonate in einen Extruder, der bei einer Temperatur von etwa 260 bis 316 ⁰C (500 bis 600 ⁰F) und einem Druck von etwa 140 bis 280 atm (2000 bis 4000 psi) gehalten wird

(c) Vermischen des Treibmittels mit dem Polycarbonat im Extruder

(d) Überführen v· u Polycarbonat und Treibmittel in einen Sammelbehälter, der auf einer Temperatur von etwa 288 bis 316 ⁰C (550 bis 600 ⁰F) gehalten wird

(e) Einspritzen von Polycarbonat und Treibmittel unter Druck in eine geeignete Form bei einer Temperatur von etwa 32 bis 121 ⁰C (90 bis 250 ⁰F).

Der Extruder ist im allgemeinen ein zweistufiger Schneckenextruder oder ein anderer geeigneter Extruder mit einer medial angeordneten öffnung, durch den das Treibmittel in das Polymerisat eingeführt wird. Das Treibmittel steht normalerweise unter einem Druck von etwa 126 bis 196 atm (1800 bis 2800 psi).

Der Sammelbehälter besteht im allgemeinen aus einem Vorratsraum, aus dem das schäumbare Gemisch mit Hilfe eines Kolbens herausgedrückt wird, wobei es durch geeignete Düsen in die Form "geschossen" wird. Eine hydraulische Flüssigkeit hinter dem Kolben wird dazu verwendet, um den Druck in dem Sammelbe-

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hälter auszugleichen, bis das hydrostatische Gleichgewicht erzielt ist.

Der Kolben ist Über eine Stange mit einer Druckwelle verbunden, wie beispielsweise unter Druck befindlichem Stickstoff, der dazu verwendet wird, den Kolben anzutreiben, wenn das hydrostatische Gleichgewicht erzielt ist. Durch den Kolben wird das schäumbare Gemisch aus dem Sammelbehälter in die Form getrieben. .Zwischen dem Sammelbehälter und der Form sind Spritzdüsen angeordnet, die das Gemisch unter einem Druck von etwa 210 bis 245 atm (3000 bis 3500 psi) ausspritzen. Die Spritzgeschwindigkeit variiert von etwa 1,36 bis 3,6 kg (3 bis θ Pfund) Je Sekunde.

Anschließend wird die Form unter hydraulischen Druck gesetzt, wodurch das Fertigprodukt erhalten wird.

Der genaue Aufbau derartiger Einrichtungen ist bekannt, und sie sind im Handel erhältlich.

Bei dem Hochdruckverfahren wird im wesentlichen die gleiche Ausrüstung verwendet wie bei dem Niederdruckverfahren mit der Abweichung, daß der Extruder gleichzeitig als Sammelbehälter dient. Der Einpreßdruck von den Düsen liegt Jedoch im Bereich von etwa 700 bis 1050 atm (10000 bis 15000 psi), wobei die anderen Parameter des Verfahrens praktisch die gleichen sind.

Mit Jedem der beiden Verfahren wird ein Schaumbauteil in etwa 0,5 bis 6 Minuten und vorzugsweise in etwa 0,5 bis 2 Minuten hergestellt.

Die Schaumstofferzeugnisse sind mit einer Außenhaut versehene zellige Produkte, wobei die Außenhaut eine steuerbare Dicke besitzt. Durch Veränderung der Kunststoffdichte und der Formtemperatur ist für einen Schaumkörper von 6 mm Dicke (1/4 Zoll) eine Hautdicke von etwa 0,25 bis 2,5 mm (0,01 bis 0,1 Zoll) erzielbar. Bei niedrigerer Formtemperatur besitzt

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der Gegenstand eine dickere Haut als ein in einer Form bei höherer Temperatur hergestellter Gegenstand.

Nach Vervollständigung des Verformvorganges wird der spritzgegossene Schaumbaukörper aus der Form entnommen und ist gebrauchsfertig .

Eine wesentliche Nachbearbeitung des Körpers ist nicht erforderlich, abgesehen von der Beseitigung winziger Angußkegel oder dgl.

Der spritzgegossene Schaumstoffbaukörper kann jedoch einer Oberflächenbearbeitung für eine nachfolgende Behandlung, wie beispielsweise die Aufbringung einer Zierschicht in Form eines Anstrichs, einer Lackierung, Emaillierung oder dgl. zu ästhetischen Zwecken unterzogen werden. In derartigen Fällen kann eine Oberflächenbehandlung erforderlich sein, um den Gegenstand für die Aufbringung einer Zierschicht usw. vorzubereiten,

Wegen der spezifischen Verwendbarkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstandes kann es erforderlich sein, den spr-tzgegossenen Bauteilen weitere Verstärkungselemente hinzuzufügen, wie beispielsweise an den Fensterabschnitten oder d=s_ . In derartigen Fällen kapselt der Schaumstoff ein Stahlteil für einen Waizenkäfig oder dgl. ein, und das Polycarbonat wird um uas Teil herum spritzgegossen. Die Verfahrensparameter bleiben jedoch in derartigen Fällen praktisch gleich.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Schaumstoffbaukörper für Kraftfahrzeuge unterscheiden sich von den bisher bekannten. Sie besitzen einen zelligen Kern und an der Oberfläche eine Haut, ein spezifisches Gewicht von etwa 0,6 bis 0,9, gewöhnlich etwa 0,8 sowie bei einer Dicke von 6 mm Zoll) die folgenden physikalischen Eigenschaften:

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Tabelle 1

Schlagzähigkeit (fallende Kugel), mkg (ft-lbs) 62,5 (45)

Entflammbarkeit, UL-94 SE-O

Formbeständigkeit, ⁰C bei 18,5 at (264 psi),°C 132

Biegefestigkeit, at 700 ( 10000 psi)

Biegemodul, at 21000 (300000 psi)

Druckfestigkeit, at 525 ( 7500 psi;

Zugfestigkeit, at 385 ( 5500 psi)

Formenschwindmaß, cm/cm (in/in) 0,010-0,012 (0,004-0,005)

Bei einem Vergleich mit den Bauschaumkörpern, die bisher erhältlich waren, ergibt sich, daß diese ein sehr viel größeres spezifisches Gewicht und keine vergleichbaren physikalischen Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch in der Beziehung einmalig, daß bisher in der Kraftfahrzeugtechnik Polycarbonate lediglich in massiver Form, nicht jedoch als Schaumbauteile verwendet wurden. Die massiven Polycarbonate unterscheiden sich von den Schaumkörpern dadurch, daß sie in jedem Falle Hochdruckverfahren erfordern und ihre Größe und Form begrenzt sind, was bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schaumbauteilen nicht der Fall ist.

Selbstverständlich sind die aneinandergesetzten Bauteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind, bzw. der von ihnen gebildete Außenrahmen nicht allein für Automobile verwendbar, sondern auch beispielsweise für selbstfahrende Geländefahrzeuge,wie beispielsweise Schneekatzen, sowie für Wasserfahrzeuge und dgl.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Beispiels näher erläutert.

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_Beis]3iel_

Es wird die Herstellung eines vorderen Kotflügels unter Anwendung eines Niedrigdruckverfahrens beschrieben.

In einen Exikator (desiccant dryer) vom Typ Conair werden 2,54 kg (5,61 pounds) eines Polycarbonats aus etwa 95% PoIycarbonat von Bisphenol A und etwa 5% Siliciumdioxid eingebracht, Das Polycarbonat wird in dem Trockner etwa 2 1/2 Stunden bei etwa 121 ⁰C (250 ⁰F) gehalten. Mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 0,01 Gew.% wird das Polycarbonat anschließend in die erste Stufe eines zweistufigen Extruders überführt, der mit einem Teil einer Bauschaummaschihe der Springfield Cast Products ausgestattet ist. Das Polycarbonat wird in dem Extruder einer Temperatur von etwa 288 ⁰C (550 F) und einem Druck von etwa 245 atm (35OoJpsi) ausgesetzt. Am Ende der ersten Stufe werden unter einem Druck von etwa I6I atm (2300 psi) 0,76 kg (1,68 pounds) Stickstoff mit dem Polycarbonat vermischt und das erhaltene schäumbare Gemisch durch die zweite Stufe geschickt.

Aus dem Extruder wird das Gemisch in einen Sammelbehälter gedrückt, von wo aus es innerhalb einer Sekunde durch geeignete Düsen in eine Form "geschossen" wird. Der Sammelbehälter wird auf einer Temperatur von 293 ⁰C (560 ⁰F) gehalten. Das Gemisch wird durch die Düsen mit einem Druck von 231 atm (3300 psi) und mit einer Temperatur von 296 ⁰C (565 ⁰F) gedruckt.

Die Form, die einem Vorderkotflügel entspricht, wird auf eine Temperatur von 88 ⁰C (190 ⁰F) gehalten, und der fertige Kotflügel besitzt eine Hautdicke von etwa 1,2 mm (0,05 inch) und wird innerhalb von zwei Minuten hergestellt.

Scharniere oder andere Teile, die zum Montieren erforderlich sind, können selbstverständlich einstückig mit dem Bauteil in einem Formarbeitsgang durch entsprechende Veränderung der Form ausgebildet werden.

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Außerdem ist es durch entsprechende Ausführung der Form möglich, die Dichte und die Hautdicke jedes beliebigen geformten Bauteiles an beliebiger Stelle davon zu steuern und zu variieren.

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Claims

V Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugkarosserieteils,

dadurch gekennzeichnet, daß man ein vorgetrocknetes Polycarbonat, das im wesentlichen zu etwa 80 bis 99 Gew.% aus einem Polycarbonat von 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) Propan und zu etwa 1 bis 20 Gew.% aus Siliciumdioxid besteht, durch Spritzgießen zu einem Karosserieschauabauteil verformt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß man das Polycarbonat in einer Form, die auf einer Temperatur von etwa 32 bis 121 ⁰C (90 bis 250 ⁰F) gehalten wird, während etwa 0,5 bis 6 Minuten und insbesondere während etwa 0,5 bis 2 Minuten verformt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polycarbonat in Gegenwart eines Treibmittels verformt .
4. Verfahren gemäß Anspruch 3f
dadurch gekennzeichnet, daß man als Treibmittel Stickstoff oder eine Stickstoff in Freiheit setzende Verbindung verwendet.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polycarbonat um ein Stahlteil herum schäumt und formt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Polycarbonat auf einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 0,01596, bezogen auf das Gewicht des Polycarbonats, vortrocknet.

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7. Fahrzeugkarosserie, bestehend aus einer Anzahl von Bauteilen, die nach den Verfahren gemäfl eine» der vorhergehenden Ansprüche hergestellt sind«
8. Fahrzeugkaroaserierahaen, gekennzeichnet durch ein Schauebauteil, das durch Schaunsprltzgießen eines Polycarbonate hergestellt ist«
9. Fahrzeugbauteil aus geschäumten Polycarbonat.

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