DE2437635A1 - Verfahren zur herstellung von faserverstaerkten thermoplastischen gegenstaenden - Google Patents

Description

PATE NTAN WALTE

DR.-ING. H. FINCKE D I PL.-I NG. H. BO H R DIPL.-ING. S. STAEGER

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8 MÜNCHEN 5,

5. August 1974

IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED

Imperial Chemical House,

MiIlTD ank

London S.W. 1 / GROSSBRITANNIEN

"Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Gegenständen"

PRIORITÄT:

Britische Patentanm. Nr. 36931/73 vom 3. August 1973

Die Erfindung "bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Gegenständen.

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren zum Formen eines Gegenstandes besteht darin, daß ein faserverstärktes thermoplastisches Band bei einer Temperatur, bei der das Band biegsam ist, auf die Oberfläche eines Modells (das ein

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Teil des endgültigen Produktes sein kann) in der Weise aufgebracht wird, daß die Paser in dem Band ein Teil des endgültigen Produktes wird.

Es bestehen drei Hauptausführungsformen der Erfindung, und zwar.:

a) Örtliche Verstärkung,

b) allgemeine Verstärkung und

c) vollkommene Herstellung des Gegenstandes.

Bei der Ausführungsform a) der Erfindung wird ein faserverstärktes thermoplastisches Band bei einer Temperatur, bei der das Band biegsam ist, auf die Oberfläche eines thermoplastischen Modelies in einem Bereich aufgebracht, wo verhältnismäßig hohe Beanspruchungen zu erwarten sind und das aufgebrachte Band wird einer Wärme- und/oder Druckbehandlung unterworfen, so daß die Bandäuflage und das Forinmodell sich vereinigen, um einen Teil des endgültigen Gegenstandes zu bilden. Vorzugsweise wird das aufgebrachte Band in der Richtung orientiert, in der die- zu erwartenden Zugkräfte auftreten werden.

Bei der Ausführungsform b) der Erfindung wird ein faserverstärktes thermoplastisches Band bei einer Temperatur, bei der das Band biegsam ist, auf die gesamte Oberfläche eines Modelies, vorzugsweise einem solchen aus einem thermoplastischen Werkstoff aufgebracht und das aufgebrachte Band wird einer Wärme- und/oder Druckbehandlung unterworfen, so daß es eine Faserverstärkungsschicht des Endproduktes wird. Vorzugsweise wird das Band in den Richtungen der zu erwartenden Beanspruchungen orientiert.

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Bei beiden Ausführungsformen a) und b) wird es vorgezogen, daß das thermoplastische Polymer in dem Band das gleiche ist wie das thermoplastische Polymer aus dem der Gegenstand hergestellt wird.

Bei der Ausfuhrungsform c) der Erfindung wird ein faserverstärkter thermoplastischer Gegenstand dadurch geformt, daß ein Band "bei einer Temperatur, bei der es biegsam ist, auf die Oberfläche eines Modelles aufgebracht wird (das nicht ein Teil des endgültigen Produktes bleibt), worauf eine Wärme- und/oder Druckbehandlung auf das Band ausgeübt wird, so daß das thermoplastische Material in dem Band zum Fließen kommt, um eine kontinuierliche Masse zu bilden, welche die Originalfaser enthält.

Bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung können mehrere Schichten des Bandes aufgebracht werden, die in einer oder verschiedenen Richtungen verlaufen und die Bänder können untereinander verwebt sein, so daß das endgültige Produkt eine verwebte Verstärkung enthält, welche in mehr als einer Richtung verläuft.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bänder sind solche, bei denen eine Anzahl von Pasern, insbesondere Glasfasern, einer Länge von mindestens 1 cm in einer Masse eines thermoplastischen Polymers eingeschlossen sind.

Es ist bekannt, faserverstärkte Gegenstände durch Spritz- ' guß und Extrudieren der faserverstärkten Stoffzusammensetzung, beispielsweise Granalien, herzustellen, jedoch hat die Faser in dem Produkt gewöhnlich eine Länge von weniger als 0,1 cm, was auf die Einwirkung des Schraubenförderers zurückzuführen ist und die Paser ist keineswegs

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nur in einer Richtung orientiert. Das erfindungsgemaße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Produkten, in denen die Faser mindestens 1 cm lang ist und gewünschtenfalls in ausgewählten Richtungen orientiert ist, so daß die Verstärkung optimal ausgenutzt werden kann, da die Fasern in einer ausgewählten Richtung vorliegen. Vorzugsweise "besitzen die Fasern eine Länge von mindestens 10 cm und in den meisten Fällen werden Fasern oder Fäden von mehreren Metern Länge verwendet, wie z.B. Fasern, welche sich über die gesamte Länge des Bandes erstrecken, abgesehen von zufälligen Fadenbrüchen und Unvollkommenheiten.

Die Bänder werden gewöhnlich dadurch hergestellt, daß sie durch eine Düse gezogen werden, welche die äußere Oberfläche des Bandes formt. Bisher wurden Bänder gewöhnlich in zylindrischer Form hergestellt, so daß sie zerstückelt werden können, um Granalien für Spritzgußformung zu ergeben. Bei Verwendung von Düsen mit anderem als kreisförmigem Querschnitt können jedoch Bänder mit anderen Querschnitten hergestellt werden und für die Zwecke der Erfindung sind Bänder, welche rechteckige Querschnitte besitzen, wobei die eine Seite langer ist als die andere, besonders geeignet.

Die Faser, welche dem Band einverleibt wird, kann in Form einer großen Anzahl von Einzelfäden vorliegen, welche sich über die Länge des Bandes erstrecken. Gegebenenfalls können die Fasern auch in anderen Formen vorliegen, beispielsweise in Form von gewebten Bändern oder geflochtenen Borten.

Ein Verfahren zur Herstellung von geeigneten Bändern besteht darin, daß eine Faser, beispielsweise eine Glasfaser, ein Vorgespinst, Band oder eine Flechtschnur in einem

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thermoplastischen Polymer in Pulverform imprägniert wird» worauf nach der Imprägnierung eine Erwärmung stattfindet, um das Polymer zu schmelzen, dann das Vorgespinst mit dem geschmolzenen Polymer durch eine Düse gezogen wird, um ein verfestigtes Band von geeigneter Form zu bilden. Ein derartiges Verfahren ist für den Fall von Vorgespinsten in der GB-PS 1 334 702 beschrieben.

Obwohl schon vorgeschlagen wurde, Gegenstände aus kontinuierlichen Glasfasern, die mit einem härtbaren Harz imprägniert worden sind, zu bilden, und zwar durch Aufwickeln der imprägnierten Pasern um. eine Form oder ein · Modell, ergibt die vorliegende Erfindung beträchtliche Vorteile gegenüber einem derartigen Verfahren. Diese Vorteile bestehen u.a. in der größeren Anpassungsfähigkeit, der Wahl für den plastischen Werkstoff, des Bandes, im Vergleich mit durch Wärmeeinwirkung erhärteten Harzen sowie der Leichtigkeit der Handhabung des trockenen Bandes gemäß der Erfindung im Vergleich mit den nassen Stoffzusammensetzungen von härtbaren Systemen. Es kommt noch hinzu, daß die thermoplastischen Bänder gemäß· der Erfindung leicht gehandhabt und in ihre Stellung gebracht werden können, in einem Zustand, bei dem das thermoplastische Material in einem geschmolzenen Zustand vorliegt, weil die Glasfasern dem Band sehr hohe Schmelzfestigkeit verleihan. Die durch das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren geformten Gegenstände können in einem begrenzten Ausmaß auch noch weiter unter Wärmeeinwirkung verformt werden, im Gegensatz zu Gegenständen, welche aus verstärkten, durch Wärmeeinwirkung festwerdenden Harzen hergestellt worden sind.

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Der Erfindungsgegenstand ist im folgenden beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei

Fig. 1 ein gemäß der Erfindung hergestelltes Ölfaß darstellt,

Pig. 2 in größerem Maßstab Rollringe, die um das Faß gemäß Pig. 1 herum angebracht sind, zeigt und

Pig. 3 die Arbeitsweise darstellt zur Herstellung des in den Pig. 1 und 2 dargestellten Passes.

Wie sich aus den Pig. 1 und 2 ergibt, besteht das Paß aus einem vorgeformten Polypropylenmodell 10, das eine zylindrische Wandung 11 und einen flachen Boden 12 besitzt. Dieses Formstück oder Modell an sich besitzt nicht mechanische Eigenschaften, welche die Verwendung desselben als Paß vollkommen zulassen. So ist es beispielsweise nicht steif genug und es würde sich während der Handhabung zu stark verformen.

Um nun die Steifigkeit und Festigkeit der zylindrischen Wandung 11 zu erhöhen ist diese mit einer Schicht oder Auflage 13 versehen» welche aus einer schraubenlinienformigen Aufwicklung von Glasfasern besteht, die in eine Masse aus Polypropylen eingehüllt sind. Das Paß besitzt die üblichen Rollringe 14 und 15» welche - wie aus Fig. 2 ersichtlich - aus mehreren übereinanderliegenden Lagen von schraubenlinienformigen Aufwicklungen von Glasfasern bestehen, die in einer Masse von Polypropylen eingehüllt sind. Durch den Belag oder die Umhüllung wird die Steifigkeit und Festigkeit des Modelles derart vergrößert, daß die mechanischen Eigenschaften des fertigen Fasses verbessert werden und dieses beispielsweise gerollt werden kann.

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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Paß wurde dadurch hergestellt, daß ein Band um ein Modell herumgewickelt worden ist, wobei mehrere Schichten an "bestimmten Stellen aufgebracht wurden, um die Rollringe zu ergeben. Das hierbei verwendete Band besaß einen kreisförmigen Querschnitt und es bestand aus einer Masse aus Polypropylen, die viele Glasfasern enthielt, welche sich in der Länge des Bandes erstreckten und etwa 25 % seines Gewichtes ausmachten. Vor dem Aufbringen des Bandes auf das Modell, besaß das Band eine ausreichende Biegsamkeit, um zu ermöglichen, daß es von einer Vorratsrolle abgewickelt, erhitzt und um das Modell herumgewickelt werden konnte.

Der Arbeitsgang dieses Verfahrens ist in Pig. 3 dargestellt, welche erkennen läßt, daß das Band von einer Vorratsrolle 20 abgewickelt, um eine Heiztrommel herumgewickelt und auf die zylindrische Oberfläche 11 eines Modelies aufgewickelt wird, nachdem es eine Heizkammer durchlaufen hat, in der die Temperatur des Bandes ausreichend erhöht wird, um das Polypropylen zu schmelzen.

Das Modell 10 wird in Umlauf versetzt und axial bei jedem Umlauf um die Stärke des Bandes vorgeschoben, so daß am Ende des Arbeitsganges die zylindrische Oberfläche des Modelles vollkommen mit einer schraubenlinienförmigen Wicklung des Bandes bedeckt ist. Das erhitzte Band wird in seine Lage gepreßt durch die vereinigte Wirkung der Bandspannung und eines Druckkissens 23, so daß die Polymermassen benachbarter Bänder sich miteinander vermischen und so den durchgehenden Belag de's Fasses bilden, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Die Rollringe. H, -15 können dadurch hergestellt werden, daß der Formling, nachdem eine einzige Auflageschicht aufgebracht worden ist, hin- und herbewegt wird, so daß an den entsprechenden/Stellen mehrere

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Lagen aufgebracht und aufgewickelt werden, bis Rollringe der gewünschten Form und Abmessungen gebildet worden sind.

Zur Erläuterung der Eigenschaftsverbesserungen bei Gegenständen, die gemäß der Erfindung hergestellt worden sind, wurden Vergleichsversuche mit zwei Proben durchgeführt, die anschließend nach den Vorschriften ASTM D638-68 untersucht wurden. Die erste Probe wurde dadurch hergestellt, daß eine Polypropylenmasse verformt wurde, welche 25 Gew.-Glasfasern einer mittleren Länge von etwa 0,1 cm enthielt. Hierbei wurde ein Probestück erhalten, bei dem die sehr ' kurzen Glasfasern bis zu einem gewissen Ausmaß entlang der Länge der Probe orientiert waren. Die zweite Probe wurde durch Kompressionsverformung von Längen von Polypropylen hergestellt, das mit kontinuierlichen Glasvorgespinsten imprägniert war, so daß die Glasfasern vollkommen entlang der Länge der Probe orientiert waren. Die folgende Tabelle läßt die Verbesserung der Eigenschaften erkennen, welche durch den Erfindungsgegenstand erzielt werden:

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— Q _

Versuchsergebnisse in einer Zugfestigkeits-Versuchsmaschine mit einer nominalen Spannung von 0,05/min bei 3 nun starken Bändern

Festigkeitsmodül bei 0,005 Spannung (GN/m²)

Reißfestigkeit

(m/m²)

Kontinuierliche Fasern

Sämtlich in Prüfrichtung orientiert; druckgeformt.

170

Kurze Fasern - spritzgußgeformt

a) Fasern in Prüfrichtung orientiert durch Fließen über eine schmale Stange

(ASTM Typ 1)

b) In der Schnittebene willkürlich angeordnete Fasern

3,5

95 55

PATENTANSPRÜCHE;

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Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE :

1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Gegenständen, dadurch gekennzeichnet , daß ein faserverstärktes thermo-' plastisches Band, bei einer Temperatur, bei der dieses biegsam ist, auf die Oberfläche eines Modelles derart aufgebracht wird, daß die Pasern in dem Band ein Teil des endgültigen Produktes werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein faserverstärktes thermoplastisches Band bei einer Temperatur, bei der dieses biegsam ist, auf die gesamte Oberfläche eines Modelles aufgebracht und das aufgebrachte Band einer Wärme- und/oder Druckbehandlung unterworfen wird, so daß eine faserverstärkte Schicht auf dem Endprodukt erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein faserverstärkter thermoplastischer Gegenstand dadurch gebildet wird, daß ein Band bei einer Temperatur, bei der dieses biegsam ist, auf die Oberfläche eines Modelles aufgebracht wird, das dann entfernt wird und eine Wärme- und/oder Druckbehandlung des Bandes durchgeführt wird,

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so daß der thermoplastische Werkstoff des Bandes zum Fließen kommt und eine kontinuierliche Masse gebildet wird, welche die Faser enthält.

4. "Verfahren nach Anspruch 1 zur örtlichen Verstärkung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeich-. net, daß ein faserverstärktes thermoplastisches Band bei einer Temperatur, bei der dieses biegsam wird, auf die Oberfläche eines thermoplastischen Modells in einem Bereich aufgebracht wird, wo verhältnismäßig hohe Zugbeanspruchungen zu erwarten sind und das aufgebrachte Band einer Wärme- und/oder Druckbe-'. handlung unterworfen wird, so daß dieses sich mit dem Modell vereinigt, um einen Teil des endgültigen Gegenstandes zu bilden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das verstärkte Band in der Richtung orientiert wird, in der Zugbeanspruchungen zu erwarten sind, welche in dem verstärkten Gegenstand auftreten.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet ,' daß das Modell und das thermoplastische Band aus dem gleichen thermoplastischen Material bestehen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Bandschiehten in einer oder mehreren Richtungen aufgebracht werden'. ·

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Bänder des Mehrschichtenmaterials miteinander verwebt sind.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Faserlänge des Bandes mindestens 1 cm beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Band dadurch geformt wird, daß ein Glasvorgespinst mit einem pulverförmigen thermoplastischen Polymer imprägniert, der imprägnierte Rohling erhitzt wird, um das Polymer zu schmelzen und das Band zwecks Verfestigung durch eine Düse gezogen wird.

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