DE2361727A1 - Verfahren zur herstellung von geformten thermoplastischen erzeugnissen - Google Patents

Description

_DB..ma. DIPL.-ING. M. SC. D.PU.-PHVS. DR. niPL.-"I.V· HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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27. Nov. 1973

Owens-Corning Fiberglas Corporation
Toledo, Ohio 43 659, USA

Verfahren zur Herstellung von geformten thermoplastischen Erzeugnissen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von geformten thermoplastischen Erzeugnissensowie auf Zwischenerzeugnisse, die für dieses Verfahren verwendet werden.

Allgemein gilt, daß thermoplastische Erzeugnisse, wie beispielsweise kraftfahrtechnische Teile, Teile von Autos, Einrichtungen für Badezimmer und dergl., mit Hilfe einer von drei grundlegen-

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den Verfahren hergestellt sind, nämlich entweder nach dem Spritzgußverfahren, dem Vakuumformverfahren oder dem Formverfahren unter Druckeinwirkung (injection molding, vacuum forming , compression molding). Spritzgußverfahren und Vakuumformung sind Methoden, die sich nicht mit vollem Erfolg dort anwenden lassen, wo Erzeugnisse herzustellen sind, die im wesentlichen frei von inneren Spannungen und Verzerrungen sein sollen. Zwar gelingt es mit dem auf Druckeinwirkung beruhenden Formverfahren zu im wesentlichen spannungsfreien Erzeugnissen zu gelangen, aller- · dings sind solche Verfahren relativ langsam.

Bei dem Spritzgußverfahren bekommen die thermoplastischen molekularen Ketten eine Orientierung in Richtung des Materialflusses, wenn dieses unter hoher Druckeinwirkung durch den Auslaufschlitz oder die Düse der Spritzgußvorrichtung gepreßt werden. Das Ausmaß der molekularen Orientierung hängt notwendigerweise von dem Material, der Temperatur und den Abmessungen der öffnung ab. Als Folge einer solchen Orientierung weist der gefertigte geformte Artikel eine verbesserte Festigkeit in Richtung der Orientierung auf mit einer entsprechenden Abnahme seiner Festigkeitseigenschaften in der nicht orientierten Richtung. Das bedeutet, daß sich ' Spannungen und Verzerrungen in der nicht orientierten Richtung in dem Erzeugnis auswirken, was daher dann, wenn es hohen Belastungs- und Krafteinflüssen (auch Schlageinwirkung) ausgesetzt wird, zu einem strukturellen Fehlverhalten in der nicht orientierten Richtung führt.

Es sind schon Versuche unternommen worden, die physikalischen Festigkeitseigenschaften von nach dem Spritzgußverfahren hergestellten Artikeln und Erzeugnissen durch Beifügung verstärkenden Materials, beispielsweise Glasfasern zu verbessern, Aller-

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dings muß man hierbei Schwierigkeiten in Kauf nehmen, die auftreten bei dem Hindurchpressen solcher mit Glasfasern oder sonstigen Fäden verstärkter thermoplastischer Materialien durch die Spritzgußöffnung und in den Spritzgußformraum. Als Folge dessen sind die physikalischen Eigenschaften solcher verstärkter, im Spritzgußverfahren gewonnener Erzeugnisse beträchtlich begrenzt durch die Länge und den Durchmesser von Glasfasern, die tatsächlich durch die Spritzgußöffnung fließen. Auch treten Brüche der Glasfasern auf, wenn sie durch die öffnung gepreßt werden, was wiederum die Wirksamkeit der durch sie hervorgerufenen Verstärkung beeinträchtigt. Darüberhinaus tritt ein vorgegebenes Muster der Glasfaserorientierung ähnlich der molekularen Kettenorientierung auf, wobei die Fasern in der Richtung des thermoplastischen Materialflusses ausgerichtet sind, auf diese Weise eregeben sich die gleichen Nachteile hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und Festigkeiten, wie sie weiter vorn schon erwähnt sind. Darüberhinaus ergibt sich durch die ungleichmäßige Dispersion der Glasfasern ein Erzeugnis mit unterschiedlichen, sich ändernden physikalischen Eigenschaften.

In ähnlicher Weise haben auch Vakuumformtechniken bestimmte Nachteile. Insbesondere sind relativ lange Produktionszyklen erforderlich, die industriell nicht akzeptierbar sind. Die Dicke eines im Vakuum gebildeten Artikels ist bestimmt durch die anfängliche Dicke des thermoplastischen Blattes, das Ausmaß der Materialstreckung, die während des Vakuumformvorgangs auftritt und das Ausmaß des zugefügten verstärkenden Materials. Es ist besonders schwierig, die Dicke des thermoplastischen Blattes oder Elementes zu kontrollieren, da es die Tendenz hat, sich in den Bereichen von Biegungen, Ecken und Sicken auszudünnen*

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Eine Verstärkung des unter Vakuumeinfluß zu formenden Blattes mit Glasfasern ist sowohl zeitraubend als auch chemisch komplex. Das thermoplastische Blatt, die Folie od.dgl., muß aus der Formvorrichtung herausgenommen und in eine Haltevorrichtung eingesetzt werden, um eine Verzerrung oder Verschiebung während des Aufbringens der Glasfaserverstärkung zu vermeiden, üblicherweise wird ein Auflegen von Glasmatten oder Geweben von Hand aufgebracht, um die vakuumgeformte Folie zu verstärken. Allerdings ist das häufigste Verfahren, welches bei diesem Vorgang angewendet wird, das Aufsprühverfahren, bei welchem katalysiertes Polyesterharz und geschnitzeltes Glasfaservorgarn (roving) gleichzeitig auf die thermoplastische Folie oder das Blatt aufgesprüht und mit gezahnten Walzen ausgerollt werden, um eingeschlossene Luft zu entfernen. Der Katalysator muß genauestens kontrolliert werden, um Defekte und Schaden zu vermeiden,die in der thermoplastischen Folie erscheinen können.

Die Formherstellung von Materialien unter Druckeinwirkung (compression molding), wobei als Materialien thermoplastische Kunstharze, d.h. in Wärme bildsam bleibende Thermoplaste und in Wärme aushärtende Kunstharze unter Verwendung hydraulischer und mechanischer Pressen bearbeitet werden, ist bekannt und auch ausreichend belegt. In diesem Zusammenhang sei verwiesen auf die üS-PSen 1,735,668, 1,760,234, 1 782,989, 1,793,603, 1,807,155, 2,289,534, 2,529,830, 3,210,230. Weiterhin sei noch verwiesen auf den Aufsatz "Plastic Working Of Metal And Non-Metallic Materials In Presses" bei Edward V. Crane, 1944, veröffentlicht von John Wiley & Sons, Inc., insbesondere Kapitel XIII, Press Characteri stics and Modifications, wobei der Autor Techniken zur Verwendung mechanischer Pressen zeigt mit VerweilZeiträumen am unteren Totpunkt des Pressenzyklus, während welcher es dem vorerhitzten,

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mit thermoplastischen Kunstharz imprägnierten Material ermöglicht wird, auf eine Temperatur abzukühlen, bei welcher der geformte Artikel nach Auswurf aus der Presse seine neue Konfiguration beibehält.

Eine Erweiterung dieser erwähnten Konzeption wurde dann entwikkelt von Herrn J.A. Young und beschrieben in einer Veröffentlichung mit dem Titel "High Speed Molding Of Glass Reinforced Thermoplastics", anläßlich der "Eleventh Annual Technical And Management Conference Of The Society Of The Plastics Industry, Inc. ", Februar 7, 1956. Hierbei wurde ein Verfahren entwickelt, analog dem Stand oder Tiefziehverfahren von Metall, wobei unter Verwendung einer hydraulischen Hochgeschwindigkeitspresse ein vorgeformtes Blatt oder eine Matte aus Glasfasern zur Verstärkung mit einem thermoplastischen Kunstharz beladen und zu einem fertiggeformten Artikel gepresst wird. Zwar stellt dieses Verfahren einen wesentlichen Schritt vorwärts auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeits-Formgebung von glasfaserverstärkten thermoplastischen Erzeugnissen und Artikeln dar, nichts-desto-trotz ist es auch bei diesem bekannten Verfahren erforderlich, glasfaserverstärkte thermoplastische Zuschnitte vorzuformen, was ein Vorheizen vor dem Stanztiefzieh- oder Pressvorgang erforderlich macht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem sich schnell Kunststoffartikel herstellen lassen, die die Nachteile der eingangs erwähnten Erzeugnisse nicht aufweisen und auch verfahrenstechnisch einwandfrei und ohne große Umstände herzustellen sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Herstellung von geformten thermoplastischen Erzeugnissen und besteht erfindungsgemäß darin, daß man einer Masse

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eines thermoplastischen Materials eine Viskosität verleiht, die ausreichend ist, daß dieses Material bei Abwesenheit eines Druckes seine integrale Massenbeziehung beibehält, die jedoch ausreichend niedrig ist, um unter Druckeinwirkung ein Fließen zu ermöglichen, daß dieses thermoplastische Material in den Hohlraum einer unter Druckeinwirkung arbeitenden Formvorrichtung eingeführt und die Formvorrichtung mit solcher Geschwindigkeit und unter so ausreichender Druckeinwirkung geschlossen wird, daß das thermoplastische Material fließt und den Formhohlraum vor Auftreten eines v/esentlichen Wärmeübergangs auf die Formvorrichtung ausfüllt, daß die auf das thermoplastische Material einwirkenden Druckkräfte für einen solchen Zeitraum aufrechterhalten bleiben, daß zur Handhabung des geformten thermoplastischen Materials in seine neue Form ausreichend Wärme entfernt ist und daß die Druckeinwirkung weggenommen und das thermoplastische Erzeugnis ausgeworfen wird.

Der Erfindung gelingt es daher, thermoplastische Artikel sowohl verstärkt als auch nicht verstärkt unter Formgebungseinfluß mittels eines Verfahrens herzustellen, daß frei ist von den unerwünschten Nachteilen der weiter vorn erwähnten grundlegenden Herstellungsverfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung thermoplastischer Erzeugnisse und Artikel durch einen zyklischen Vorgang, der nur kurz andauert und der zu Erzeugnissen führt, die kontrollierte vorgegebene Dickenabmessungen und ein glattes sauberes Oberflächenfinish aufweist.

Die Erfindung ermöglicht die Herstellung sowohl verstärkter als auch nicht verstärkter thermoplastischer Erzeugnisse in hoher Geschwindigkeit in einer Produktionslinie, wobei existierende mechanische Zieh-, Druck- und Presseinrichtungen verwendet wer-

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den, die auch die Notwendigkeit beseitigen, zunächst einen vorgeformten thermoplastischen Zuschnitt herzustellen, der eine solche Konfiguration und Dicke aufweist, daß er dann geeignet ist, schließlich zu einem fertigen Artikel umgearbeitet zu werden.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Glasfasern verstärkte thermoplastische Erzeugnisse hergestellt werden können» die keine Brüche und Beschädigungen der Glasfasern aufweisen, auch sind bei diesen Artikeln keine Begrenzungen hinsichtlich der Abmessungen der Glasfaserdimensionen vorgegeben. Im Gegenteil gelangt man zu thermoplastischen Erzeugnissen, die eine hervorragende Verteilung und eine willkürliche Orientierung der verstärkten Fasern über das gesamte gefertigte Produkt aufweisen.

Darüberhinaus sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Artikel auch frei von den sehr unerwünschten molekularen Orientierungen. Die endgültige Materialdicke der thermoplastischen Erzeugnisse nach der Erfindung ist kontrolliert und eingestellt, •das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt Neueinstellungen während der Produktion, wobei die Dicke des Erzeugnisses ohne größere Veränderungen an, den Formvorrichtungen variiert werden kann.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß die Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung eines thermoplastischen Materialsystems zur Artikeln unter einer Formgebungseinwirkung zur Verfügung stellt, wobei jede gewünschte Form bei relativ kurzen Ausformzeiten realisiert werden kann. Es ist möglich, sowohl verstärkte als auch nicht verstärkte thermoplastische Erzeugnisse mit gleichförmigen physikalischen Eigenschaften herzustellen, dabei wird

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das thermoplastische Ausgangsmaterialsystem in einem Extruder vorbereitet, zu einem Extrudat in Form einer Stange oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet/ dann in eine unter Druckeinwirkung bringbare Formvorrichtung eingelegt und in die gewünschte Form gepreßt. Der sich auf diese Weise ergebende Artikel ist im wesentlidien frei von molekularer Orientierung, auch sind bei einem solchen Artikel die zur Verstärkung verwendeten Glasfasern in hervorragender Verteilung über das Erzeugnis disperiert und können ihre innewohnenden Eigenschaften entfalten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und ein für dieses Verfahren geeignetes Zwischenerzeugnis anhand der Zeichnungen näher erläutert, Figur 1 zeigt in diesem Zusammenhang in schematischer Darstellung den Ablauf der Vorgänge bis zum fertigen Erzeugnis von links nach rechts.

Vorbearbeitete bzw. vorgemischte thermoplastische Formpressoder Gießpellets^Kügelchen 10 u.dgl., die auch in jeder anderen beliebigen Form eines Rohmaterials vorliegen können, werden in einen Schraubenextruder 11 eingeführt, dem weiterhin zur Schmelzung der Pellets 10 eine Wärmemenge Q. ausreichender Größe zugeführt wird, um einen homogenen Mischvorgang durch den Schraubenextruder zu ermöglichen.

Die thermoplastischen Gieß- oder Presspellets 10 können jede Art von Kombination eines Harzes, Füllmittel, verstärkender Materialien und anderer vorteilhafter Bestandteile darstellen, die notwendig sind, um dem Endprodukt die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Von der Extruder-Auslaßdüse 12 wird eine kontinuierliche

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Längsbahn der extrudierten Mischung ausgeworfen und mit Hilfe einer geeigneten Schneidvorrichtung 13 in gewünschte Längsstücke geschnitten. Das extrudierte Längsstück 14 wird dann zu einer Gieß- oder Formapparatur 15 überführt und innerhalb dieser in geeigneter Weise angeordnet; diese Formvorrichtung 15 ist bevorzugt von einer teleskopartig arbeitenden Art und umfaßt eine Patrize 16 (male die) und eine Matrize 17 (female die). Die Formvorrichtung wird dann geschlossen, was die thermoplastische Gießmischung dazu veranlaßt, nach außen zu fließen und den Hohlraum zwischen den beiden Formen oder Ziehelementen auszufüllen. Anschließend verbleibt die Formvorrichtung für einen vorgegebenen Zeitraum geschlossen, während welcher Wärme aus dem thermoplastischen Material in die Patrize 16 und die Matrize 17 fließt, von denen wiederum über geeignete Anordnungen eine Hitzemenge Q , abgeführt wird. Die Formvorrichtung bleibt für eine ausreichend lange Zeit geschlossen, um es dem so herstellten geformten Artikel zu ermöglichen, auf eine Temperatur abzukühlen, an welche er bei Entnahme aus der Formvorrichtung dimensionsmäßig stabile Eigenschaften aufweist. Die Formvorrichtung wird dann geöffnet und der so hergestellte geformte Artikel 18 ausgeworfen oder sonstwie über geeignete und wirksame Mittel aus der Form entfernt. Nachfolgend zu der Entnahme des gegossenen oder geformten Artikels aus der Formvorrichtung wird dieser dann in eine geeignete spannende Haltevorrichtung eingebracht, um ein mögliches Verziehen des Erzeugnisses während des weiteren Abkühlens auf Umgebungstemperatur zu verhindern.

Zwar hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, vorgemischte thermoplastische Schmelzpellets oder Formpellets zu verwenden,

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beste Ergebnisse sind jedoch erzielt worden durch trockenes Mischen der Schmelzmischung und direkte Einführung dieser Mischung in den Extruder, insbesondere wenn GlasfaserverStärkungen verwendet werden. In ähnlicher Weise sind annehmbare und gute Ergebnisse erzielt worden, indem man eine vorgemischte Mischung der thermoplastischen Pellets oder Kügelchen, Füllstoffen und Verstärkungsmaterial eingeführt hat. Zwar ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet für die Hochgeschwindigkeitsformung

(molding) thermoplastischer Kunststoffe, es ist jedoch in gleicher Weise wirksam zu verwenden für den Formvorgang

nicht verstärkter thermoplastischer Kunststoffe und Materialien.

Eine Vielzahl von Füllstoffen und Verstärkungen, die dem Fachmann bekannt sind, können in der thermoplastischen Formmischung dispergiert sein, beispielsweise Talkum, Kalzium, Karbonat, Silika, d.h. Siliziumdioxyd oder Kieselsäureanhydrid und andere bekannte und verfügbare Füllstoffe. Verstärkungen wie Glasflocken, Glasfasern, gemahlene Fasern, Bor^fa^sern/ Asbestfasern oder andere geeignete fibröse oder nicht fibröse Verstärkungen können verwendet werden. Die Zugabe von Füllmitteln und Verstärkungsmaterialien kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, das System des Temperatur-Viskositätsverhältnisses des thermoplastischen Formmaterials für ein gegebenes spezielles thermoplastisches Matrixharz zu kontrollieren und einzustellen, beispielsweise läßt sich durch sorgfältige Auswahl und Beigabe von Füllstoffen und/oder verstärkenden Materialien eine höhere wirksame ^System-Viskosität des Extrudats

realisieren, wobei das thermoplastische Harz-Matrixmaterial eine Viskosität aufweist, die geringer ist als die, die erforderlich ist für einen thermoplastischen Kunststoff, der

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nicht verstärkt oder dem keine Füllstoffe beigefügt sind. Es hat sich ergeben, daß die Gegenwart an Füllstoffen und/ oder an Verstärkungsmaterialien die Kriechfähigkeit bzw. die Kriechflußgeschwindigkeit des thermoplastischen Matrixharzes bei erhöhten Temperaturen begrenzt, bei denen das Harz bei Abwesenheit der Füllstoffe und /oder des verstärkten Materials eine wesentliche Kriechfähigkeit ohne Anwendung kompressiver Drücke zeigt.

Durch selektive Auswahl und Verwendung von Füllstoffen und Verstärkungsmaterialien läßt sich eine Viskosität für das Extru-

datsystem erhalten, die unempfindlicher auf die Temperatur reagiert, wobei man dennoch ein Extrudat, d.h. eine extrudierte Masse erhält, die ihre integrale Massenbeziehungen beibehält und von dem Extruder zur Formvorrichtung transportiert werden kann. Beispielsweise hat sich herausgestellt·, daß der Temperaturbereich, für welchen das Extrudat die notwendigen Viskositätseigenschaften aufweist, größer ist für Füllstoffe, Verstärkungsmaterialien oder eine Kombination dieser enthaltenden Harze als für eine,Formmischung aus reinem thermoplastischem Kunststoff oder Harz. In der Tabelle 4 sind beispielsweise und ohne daß diese Maßangaben eine Begrenzung der Extrudattemperaturen darstellen sollen, TemperaturbeMche angegeben, innerhalb v/elcher annehmbare Ergebnisse erzielt werden konnten. Die Bedeutung der Viskosität der Förmmischung, bezogen auf den Formzyklus dieses neuen Form-Herstellungsverfahrens wird weiter unten noch genauer erläutert. Zur Lieferung eines Extrudats entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jede Art eines thermoplastischen Extruders oder einer Strang- oder Spritzgußpresse verwendet werden, die geeignet ist, nach dem Spritzgußverfahren thermoplastische Erzeugnisse und Artikel auszubilden. Zwar ist es auch möglich, einen

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Extruder vom Kolbentyp erfolgreich zu verwenden, dies ist jedoch deshalb nicht die zweckmäßigste Form eines Extruders, weil es aufgrund der ihm innewohnenden Eigenschaften schwierig ist, ein Extrudat zu erzeugen, welches über seine gesamte Masse eine gleichförmige Temperatur aufweist. Geeigneter sind Ein-oder Mehrschraubenextruder,die bevorzugt mit einem Akkumulator, Druckspeicher oder Sammelbehälter ausgerüstet sind. Aufgrund seiner Fähigkeit, thermisch empfindliche Kunstharze wie beispielsweise Polyvinylchlorid zu handhaben, wird ein hin- und herlaufender Schraubenextruder (reciprocating screw extruder) bei der Arbeit mit solchen Materialsystemen empfohlen.

Eines der wesentlichsten neuen und entscheidenden Merkmale der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß mit Fasern verstärkte, thermoplastische Erzeugnisse und Artikel schnell und wirtschaftlich hergestellt werden können, ohne daß es zu einer Beschädigung oder Verstümmelung der verstärkenden Fasern, beispielsweise Glasfasern kommt, was bei Spritzgußverfahren oder Stranggußverfahren so häufig der Fall ist und festgestellt werden kann. Bei Spritzgußverfahren arbeitet der Schraubenextruder normalerweise mit einem inneren Rückdruck im Bereich von

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140,6 kg/cm , wobei das Harz Spritz- oder Stranggießdrücken im

Bereich zwischen 703 bis 1406 kg/cm² ausgesetzt ist. Verstärkende Materialien, beispielsweise Glasfasern, werden ernsthaft beschädigt, wenn sie solchen zyklischen Drücken unterworfen v/erden. Das Problem der hohen Spritzdrücke ist die extreme Massenflußrate, mit weicher das thermoplastische Harz ausgespritzt wird. Die Kombination v.on Hochdruck, hoher Massenflußrate und der nur einen geringen Durchmesser aufweisenden Durchlässe, durch welche das Harz fließen muß, ist bezüglich der verstärk-enden , Materialien, wie beispielsweise Glasfasern, außerordentlich

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schädigend. So liegt der empfohlene Extruderrückdruck bei etwa

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3,52 kg/cm bis zu 35,2 kg/cm , wenn thermoplastische Kunstharze nach dem Spritzgußverfahren bearbeitet werden, die Glasfasern als verstärkende Materialien aufweisen, um auf diese Weise wenigstens eine zu starke Verstümmelung und Beschädigung der Glasfasern vor dem eigentlichen Spritzgußvorgang zu vermeiden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung thermoplastischer Erzeugnisse wird eine Extruderdüse bzw. eine Extruderöffnung mit einem Durchmesser von 3,8 cm oder mehr verwendet im Gegensatz zu Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,051 cm, wie sie üblicherweise bei Spritz- oder Stranggußverfahren verwendet werden. Dabei wurden innere Rückdrücke von Null bei einer Öffnung von 3,8 cm im Durchmesser erreicht und experimentell erzielt. Es ist daher auf diese Weise möglich, in dem Harz verstärkende Materialien zu dispergieren, ohne daß es bei Verwendung von Vorrichtungen aus der Familie der Schraubenextruder zu nennenswerten Beschädigungen der Verstärkungen . kommt, d.h. bei durchgeführten Versuchen wurden nur minimale Beschädigungen festgestellt.

So wurden beispielsweise Untersuchungen durchgeführt unter Verwendung eines zweistufigen Schraubenextruders (Hartig, three inch) und unter Verwendung einer mechanischen Stanz- oder Gesenkpresse mit einer Kapazität von 1000 Tonnen (Bliss), wie sie üblicherweise zum Stanzen und Formen von zu Automobilen gehörenden Metallteilen bei der Automobilindustrie verwendet wird. Die einzige Änderung an beiden Teilen einer solchen Ausrüstung bezog sich darauf, daß die mechanische Presse so modifiziert werden mußte, daß sie am unteren Totpunktbereich für eine ausreichende Zeit verweilen mußte, um eine Abkühlung des geformten Teils zu erlauben.

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Unter Verwendung dieser oben genannten Aus-.rQstung wurden aus thermoplastischen Materialien, wie beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen, Nylon und Polyester Deckel für 55 Gallonen fassende Fässer erfolgreich hergestellt, d.h. gepreßt und geformt. Sämtliche verwendete Materialien waren glasfaserverstärkt, mit der Zufügung ,daß sowohl verstärkte als auch nicht verstärkte Polypropylentonnendeckel gepreßt wurden. Die Abkühlzeit in der Form variierte zwischen 10 bis 30 Sekunden in Abhängigkeit von dem verwendeten Harz für eine nominelle Dicke des Teils von einem Achtel Zoll, d.h. von O,32 cm. Der Preßdruck wurde auf 250 Tonnen geschätzt. Es wurde ein. gutes Oberflächenaussehen (Oberflächenfinish) erzielt, die erzeugten Teile waren frei von Verziehung, die durch innere Spannungen hätten hervorgerufen werden können. Die Glaskonzentration über die geformte und gepreßte Faß- oder Tonnenabdeckung wies, v/ie die Tabelle I zeigt, eine hervorragende Gleichmäßigkeit auf. Die Glasfaserkonzentration wurde an drei radialen Stellen der FaPabdeckung jeweils bei einem Drittel des Radius, bei zwei Drittel des Radius vom geometrischen Zentrum aus und am Umfang gemessen. Die Tabelle II zeigt die physischen Eigenschaften für ein Polypropylen-Ausgangsmaterialsystem sowohl mit als auch ohne Glasfaserverstärkung.

Eine Analyse der sich auf die Biegeeigenschaften beziehenden Daten für eine ^Faßabdeckung aus Polypropylen mit einem Nominalgehalt von 20% Glasfasern zeigt eine radiale Biegefestigkeit von 11,376 Pfund pro Quadratzoll und eine umfangsmäßige Biegefestigkeit von 9,414 Pfund pro Quadratzoll ( pounds per square inch). Die Biegeeigenschaften für ein Polypropylen ohne Glasfaserverstärkung zeigten eine radiale Biegefestigkeit von 7,007 Pfund pro Quadratzoll und einen umfangsmäßigen Biegemodul von 7,290 Pfund

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pro Quadratzoll. Aus der kleinen gemessenen Differenz zwischen der radialen und der umfangsmäßigen Biegefestigkeit oder diesen Biegeeigenschaften, ergibt sich, daß ein unbeträchtlicher Anteil von Glasfaserorientierung in der radialen Richtung erfolgt ist, in ähnlicher Weise ergibt sich auch keine bedeutende molekulare Orientierung. Das Versagen der Glasfasern_f sich bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für Faß- oder Tonnen.abdeckungen in einer wesentlichen Weise zu orientieren, wird in seinem Nachweis noch weiter gestützt durch die gemessenen Biegeeigenschaften, die in der Tabelle III dargestellt sind.

Eine sich auf die Dispersion des Glases beziehende Analyse wurde an zu untersuchenden Teilen durchgeführt, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geformt waren, die Analyse wurde durchgeführt mittels einer sogenannten "Harzwegbrenn"-Technik; dabei wurden beispielhafte Proben aus dem geformten Artikel herausgeschnitten und das thermoplastische Kunstharz-Matrixmaterial weggebrannt, so daß die aus Glas bestehenden Verstärkungselemente sich so nach außen darstellen, wie sie innerhalb der harzartigen Matrix angeordnet waren. Wurde das thermoplastische Harz von Teilen wegge- ·-■' brannt, die geformt und gefertigt worden sind unter Verwendung vorgemischter Elemente, Pellets, Kügelchen od.dgl., die in sich Glasfaserverstärkungen enthielten, dann ergab sich, daß der Rest des aus Glas bestehenden verstärkenden Materials als eine eher pulverartige. Substanz erschien, ähnlich dem, die man bei Spritzgußverfahren erhält. Allerdings erschien im Gegensatz zu den Spritzgußverfahren dieses gläserne pulverartige verstärkende Material gleichförmig verteilt. Eine Analyse geformter Artikel, bei denen der thermoplastische Harz sowohl in der Pulverform als auch in der P.elletform in- dem Extruder mit verstärkenden Glasfasern gemischt wurde, ergab jedoch, daß der Rückstand des gläser-

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nen Verstärkungsmaterials als "wollige Masse" erschien mit einem Volumen, das um Größenordnungen größer war als der Rückstand, den man bei Artikeln beobachten konnte, die unter Verwendung vorgemischter Pellets hergestellt waren.

Es wird angenommen, daß sich diese wesentliche unterscheidende Differenz durch den Umstand erklärt, daß die vorgemischten Pellets hergestellt v/erden unter Verwendung eines Schraubenextruders, der einen beträchtlichen Arbeitsrückdruck aufweist und in dem das Material dieses Systems durch eine Auslaßgußform oder Matrize gepreßt wird, die einen relativ kleinen Durchmesser aufweist, diese Kombination führt, wie weiter vorne schon beschrieben, zu der Verstümmelung und den Beschädigungen in der Glasfaserverstärkung. Wenn Harz als Pulver oder in Pelletform allein und Glasfaserverstärkungen innerhalb des Extruders gemischt werden, dann unterliegt die Verstärkung einem Minimum an Beschädigung, was zu im v/esentlichen längeren Fasern führt, die über den gesamten Endartikel dispergiert und verteilt sind. Zusätzlich ergab sich, daß diese Struktur einer "wolligen Masse" das Resultat einer zufälligen Faserorientierung war, wobei die Fasern so angeordnet . waren, daß eine poröse oder zellulare Struktur, die am besten als wollig beschrieben wird, resultierte.

Es wird angenommen, daß die hervorragende Verteilung oder Dispersion der Glasfaserverstärkungen und das Fehlen jeder v/esentlichen Orientierung der Verstärkung oder jeder wesentlichen molekularen Orientierung mit dem Formverfahren in Verbindung steht, obwohl dies noch nicht vollständig theoretisch geklärt ist. Während der Herstellung des Extrudats wird das Materialsystem weder extremen Drücken noch einem Hochgeschwindigkeitsfluß durch kleine Öffnungen unterworfen. Als Folge davon werden die Faserverstärkungen und die molekularen Ketten nicht mechanisch orientiert, sondern behal-

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ten ihre zufällige Orientierung bei, die ihnen durch die Mischwirkung des Extruders verliehen wird.

Dabei ist festgestellt worden, daß eine besondere Beziehung zwischen den Eigenschaften des Extrudats, der Formvorrichtung und dem Formvorgang oder Gießzyklus besteht, die die Formung und Fertigung sowohl verstärkter als auch nicht verstärkter thermoplastischer Artikel ermöglicht, die die erwünschten, weiter vorn erwähnten Eigenschaften aufweisen. Da das für den Form Vorgang

bestimmte Materialsystem kein solches hohes Maß an Flußfähigkeit aufweist, wie dies bei Spritzgußverfahren erforderlich ist, ist das Extrudat, wenn es vom Extruder abgenommen und in die Formvorrichtung eingelegt wird, von höherer Viskosität und dementsprechend von einer niedrigeren Temperatur als ein Extrudat, das effektiv im Spritzgußverfahren geformt und hergestellt werden kann. Der exakte Viskositätswert hängt notwendigerweise ab von dem speziellen thermoplastischen Harzsystem und der Form-

des

vorrichtung. Zwar läßt sich die Viskosität/thermoplastischen Materialsystems nicht speziell definieren, sie muß jedoch so sein, daß das als Beschickung verwendete Extrudat im wesentlichen seine integrale Massenbeziehung und seine extrudierte Konfiguration beibehält; wird jedoch das Extrudat bzw. das Materialsystem dann Preß- oder Gießdrücken ausgesetzt, dann fließt es und füllt den Gußraum unter Wirkung des spezieilen aufgebrachten Drucks aus.

Am wirkungsvollsten lässt sich dabei jede Art von Preß- oder Gießapparatur verwenden, die relativ schnell arbeitet, beispielsweise also die beiden in diesem Bereich bekanntesten Maschinen, nämlich mechanische Stanzpressen und schnell arbeitende hydraulische Pressen. Das schnelle Schließen der Gußformhöhlen bewirkt ein so unmittelbares Ausfüllen des Hohlraumes, daß während

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des Zeitraumes des Zyklusses, an welchem das Material fließt, nur ein unbedeutender Anteil an Wärmeübertragung zwischen dem thermoplastischen Materialsystem und der Oberfläche der Formvorrichtung auftritt. Als Folge davon verbleibt die Viskosität des Materialsystems und die Temperatur während des gesamten Ausfüllvorganges des Formhohlraumes auf im wesentlichen konstanten Werten. Aufgrund der gleichförmigen viskosen Fließeigenschaften des thermoplastischen Materialsystems, wenn dieses Preßdrücken unterworden wird, werden die molekularen Ketten auch keinen Orientierungs- oder Packungsspannungen unterworfen. Die Folge davon ist, daß die molekularen Ketten frei sind und ihre relative zufällige Orientierung beibehalten.

Weiterhin wird angenommen, daß sich in ähnlicher Weise auch die hervorragende Dispersion der auf Glasfasern beruhenden Verstärkungselemente erklären lassen durch das Vorhandensein gleichförmiger viskoser Flußeigenschaften innerhalb des Materialsystems während des Teilbereiches des Gieß- oder Druckzyklus, während welchem das Material fließt. Beim ^s chließvorgang der Formschalen, also Matrize und Patrize, wird das thermoplastische Harz-Matrixmaterial dazu veranlaßt, nach außen zu fließen und den Formhohlraum zu füllen. Dabei führt die relative höhere Viskosität des thermoplastischen Harzes zu einer viskosen Zugwirkung, d.h. zu einem Mitschleppen, welches sich auf das verstärkende Material in der Weise auswirkt, daß das Harz nicht ausfließt und vor dem verstärkenden Material fließt. Das verstärkende Material wird zusammen mit dem sich vorschiebenden thermoplastischen Harz mitgeschleift und mitgeschleppt. Weist das thermoplastische Harz eine niedrige Viskosität auf, dann ist dementsprechend auch die viskose, sich auf das verstärkende Material auswirkende Mitschleppwirkung niedrig, was zu einem Ausfließen des Harzes und einem Herfließen des Harzes vor dem verstärkenden Material

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führt. Ist die Harzviskosität zu hoch, dann ist die Materialflußrate dementsprechend niedrig, was es wieder ermöglicht, daß von dem Materialsystem auf die Formschalen eine größere Wärmeübertragung erfolgt. Dieser vergrößerte Wärmeübergang kann zu einer orientierungsmäßigen Packung der molekularen Ketten führen, so daß Spannungen und Belastungen in den geformten Artikel eingebaut werden.

Eine Auswertung und die Erstellung von Meßdaten, wie sie in der Tabelle IV dargestellt sind, und wie sie sich auf ein Schrumpfen der Teile beziehen, zeigt, daß bei Faßabdeckungen, die aus glasfaserverstärktem Polypropylen hergestellt sind, eine beträchtlich geringere Schrumpfung ergibt, verglichen mit Faßabdeckungen oder Deckel für Tonnen U₀dgl=, die geformt sind aus nicht verstärktem Polypropylen. Es sind auch geringere Verweilbzw. Abkühlzeiten festgestellt worden für das verstärkte Polypropylen als für das nicht verstärkte Polypropylen. Es wird angenommen, daß der Glasfasergehalt die gesamte thermische Leitfähigkeit des Harzsystems vergrößert, so daß es zu einer größeren Wärmeübertragungsrate' von dem Gesamtmaterialsystem auf die Formvorrichtung kommtο Mit Anstieg der Glasfaserkonzentration steigt auch die thermische Leitfähigkeit an, was eine proportionale Abnahme der Verweil- oder Abkühlzeit in der Form nach sich zieht. " . "

Ein zusätzlicher Vorteil, der sich aus der vollkommenen Dispersion des verstärkten Materials über das thermoplastische Harzsystem ergibt, ist in einem Anstieg in der strukturellen Integrität und dem strukturellen Zusammenhang des geformten Artikels bei erhöhten Temperaturen zu sehen. Aufgrund dieser höheren

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strukturellen Integrität läßt sich ein verstärkter geformter Artikel aus der Formvorrichtung bei höheren Temperaturen entnehmen, als dies für ein Artikel ohne Verstärkung der Fall ist.

In bestimmten Fällen, insbesondere bei relativ langsam arbeitenden Pressen, kann es erwünscht sein, den Formhohlraum auf eine Temperatur vorzuheizen innerhalb des Bereiches, der sich erstreckt von der Umgebungstemperatur bis annähernd zur Tempera- -tur des Extrudats, um so eine zu wesentliche Wärmeübertragung von dem thermoplastischen Formmaterial auf die Formschalen, Matrize und Patrize zu vermeiden; in ähnlicher Weise ist es unerwünscht, eine zu große Wärmeübertragung von den Formschalen auf das Materialsystem zu erhalten, da auf diese Weise die Viskosität niedriger wird und es dem Harz, wie weiter vorn schon genauer erläutert, dadurch ermöglicht wird, vor dem verstärken den Material während des Preßzyklus auszufließen. Es kann allerdings erwünscht sein, dort einen Wärmeübergang von den Formschalen auf das Extrudat zu haben, wo dies notwendig ist, um von dem Extrudat verlorene Wärme während des Transports vom Extruder zu der Formvorrichtung zu ersetzen.

Es hat sich auch herausgestellt, daß Kunststoffe oder Kunstharze der zur Extrusion geeigneten Klasse, die eine relativ höhere Viskosität als Kunstharze der für das Spritzgußverfahren verwendeten Klasse besitzen, mit größerem Erfolg bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Man erzielt daher durch die Verwendung von Kunstharzen, die zur Extrusion bestimmt sind, verbesserte physische und chemische Eigenschaften.

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Wird eine Formvorrichtung verwendet, die teleskopartig arbeitet, dann gelingt es in einfacher Weise, ein glattes Oberflächenaussehen der gefertigten thermoplastischen Erzeugnisse zu erhalten, und zwar aufgrund des konstanten Preßdrucks, der der sich vorschiebenden Patrize erteilt wird, wenn der thermoplastische Kunststoff während der Verweil- oder Abkühlphase des Zyklus schrumpft. Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, angewendet auf eine Fertigungslinie ist darin zu sehen, daß eine hundertprozentige Füllung des Teils ohne Grat oder sonstiges Abfallmaterial erzielt werden kann. Es sind daher auch keine Endbearbeitungsvorgänge, wie Beschneiden, Trimmen, Entfernen des Grates usw. notwendig. Die Artikeldicke, die eine direkte Funktion der ursprünglichen, der Beschickung dienenden Masse ist, kann leicht durch Veränderung der Masse für die Beschickung eingestellt werden. Es läßt sich also bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Formung von thermoplastischen Erzeugnissen und Artikeln eine vollständig automatische Produktionslinie errichten, die eine hohe Produktionsrate für thermoplastische Artikel aufweist, die ihrerseits hervorragende physikalische Eigenschaften, kontrollierte Dickenverhältnisse und so, wie sie der Formvorrichtung entnommen werden, ein einwandfreies Oberflächenfinish aufweisen, welches keine weiteren nachfolgenden Bearbeitung svorgänge mehr erfordert.

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Claims (1)

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   Patentansprüche :

   1. Verfahren zur Herstellung von geformten thermoplastischen ^; Erzeugnissen, dadurch gekennzeichnet, daß man einer Masse eines thermoplastischen Materials eine Viskosität verleiht, die ausreichend ist, daß dieses Material bei Abwesenheit eines Drucks seine integrale Massenbeziehung beibehält, die jedoch ausreichend niedrig ist, um unter Druckeinwirkung ein Fließen zu ermöglichen, daß dieses thermoplastische Material in den Hohlraum einer unter Druckeinwirkung arbeitenden Formvorrichtung eingeführt und die Formvorrichtung mit solcher Geschwindigkeit und unter so ausreichender Druckeinwirkung geschlossen wird, daß das thermoplastische Material fließt und den Formhohlraum vor Auftreten eines wesentlichen Wärmeübergangs auf die Formvorrichtung ausfüllt, daß die auf das thermoplastische Material einwirkenden Druckkräfte für einen solchen Zeitraum aufrechterhalten bleiben, daß zur Handhabung des geformten thermoplastischen Materials in seine neue Form ausreichend Wärme entfernt ist und daß die Druckeinwirkung weggenommen und das thermoplastische Erzeugnis ausgeworfen wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des thermoplastischen Materials in gleichförmiger Verteilung eine GlasfaserverStärkung innerhalb des Bereiches von 0 von 60 Gew.% enthält.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des thermoplastischen Materials (Exdrudat) in den Formhohlraum einer mechanischen Prägepresse oder Druckpresse eingegeben wird.

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   4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge-

   . kennzeichnet, daß die Formoberflachen des Formhohlraums auf eine Temperatur vorgeheizt werden, die so bemessen ist, daß - während des Formvorgangs selbst nur ein unbedeutender Wärmeübergang zwischen der Masse des thermoplastischen Materials und den Formoberflächen auftritt, und daß anschließend bei Aufrechterhaltung der Druckeinwirkung so viel Wärme von der Formvorrichtung abgeführt wird, daß die Temperatur des eine neue Konfiguration aufweisenden thermoplastischen Materials soweit reduziert ist, daß dieses frei von Spannungen seine neue Konfiguration beibehält.

   5. Zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehenes Zwischenerzeugnis, dadurch gekennzeichnet, daß dieses in formfreiem, vorgeheiztem, einer Druckeinwirkung zugänglichem Zustand besteht aus einer vorgegebenen Masse eines thermoplastischen Matrixmaterials, die in gleichförmiger Verteilung eine ausreichende Konzentration einer fibrösen Verstärkung enthält, wobei in Kombination mit den viskosen Eigenschaften der thermoplastischen harzartigen Matrix eine Fließfähigkeit nur unter Einwirkung eines kompressiven Drucks besteht.

   6. Zwischenerzeugnis_nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus diskreten Glasfasern mit einer Länge im Bereich zwischen 0,04 cm bis 2,54 cm besteht.

   ο Zwischenerzeugnis nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Matrixmaterial die für eine Extrusion geeignete Klasse aufweist.

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   8. Zwischenerzeugnis nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material die für das Spritzgußverfahren geeignete Klasse aufweist.

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