DE2546373A1 - Verfahren zum verformen geschaeumter gegenstaende - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich, auf faserverstärkte geschäumte Kunststoffgegenstände} im besonderen ist die vorliegende Erfindung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung neuer faserverstärkter geschäumter Gegenstände befasst, bei denen eine vorherbestimmte Verteilung der Fasern innerhalb des geschäumten Gegenstandes vorliegt.

Man hat bereits eine große Anzahl verschiedener Materialien zu geschäumten Massen hinzugegeben, um die Eigenschaften des

Postscheckkonto: Hamburg 2Θ122Ο-2ΟΒ · Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3 813 897

609843/1003 original inspects

H 2513 -2-

Schaums aus irgendeinem von zahlreichen verschiedenen Gründen zu verändern. Im allgemeinen werden Fasern zu geschäumten Massen hinzugesetzt, um die mechanische Festigkeit des Schaums zu erhöhen.

In manchen Fällen ist es erwünscht, daß die zuflällig orientierten Fasern innerhalb des gesamten geschäumten Artikels so gleichmäßig wie möglich verteilt sind. In der Vergangenheit ist eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Fasern in geschäumten Gegenständen nicht auf einfache und wirtschaftliche Art erreichbar gewesen, besonders bei einem Faseranteil von mehr als etwa 5 Gew.-%. Für gewöhnlich wird eine Form mit zufällig dispergierten Fasern geladen, und wird die schäumbare Harzmischung zugesetzt. Während des Verschäumens wird jedoch ein erheblicher Betrag der Fasern aus ihrer ursprünglichen Lage verschoben mit dem Endergebnis, daß die Fasern nicht innerhalb des gesamten geschäumten Gegenstandes gleichmäßig verteilt sind. Und aus diesem und anderen Gründen werden dann die gewünschten Verbesse rungen der Eigenschaften nicht erzielt.

Bei einer anderen Technik wird ein faserverstärkter Schaum durch Imprägnieren eines nicht-gewebten Vlieses von Fasern mit einer verschaumbaren Mischung hergestellt. Diese Technik leidet unter dem Nachteil, daß es praktisch unmöglich

...3 60984 3/1003

ORIGINAL INSPECTED

H 2513 -3-

ist, alle Räume zwischen den "Fasern des Vlieses mit einer schäumbaren Mischung gleichmäßig zu imprägnieren, was wiederum zu einer verhältnismäßig geringen Festigkeit des Gegenstandes führt.

Geschäumte Gegenstände sind auch mit gewebten Fasern verstärkt worden, indem man Faserschichten mit den äusseren Flächen eines zellförmigen geschäumten Gegenstandes verbindet, oder durch Verschäumen einer verschäumbaren Mischung zwischen/fTaserschichten. Die Festigkeitseigenschaften dieser zellförmigen Schichtkörper sind in beträchtlichem Maße be grenzt infolge der Qualität der Verbindung zwischen dem Kern und der äusseren Haut.

Eine Sprühtechnik, bei der verschäumbares Harz und Fasern auf eine Fläche oder eine Unterlage gesprüht werden, ist für die Herstellung von Gegenständen praktisch ausreichender Dicke nicht geeignet. Tatsächlich sind solche Verfahren überhaupt nicht auf die Bildung struktureller Schäume an wendbar, d.h. solcher Schaummassen mit niedriger Dichte im Inneren und äusseren Häuten von hoher Dichte.

Es sollen auch noch Versuche erwähnt werden, Faserverstärkungen zu Schaummassen während der sogenannten Krembil dungszeit zuzusetzen, d.h. innerhalb des Zeitraums, wenn der Schaum zu steigen beginnt. Proben von in dieser Weise

ρ π 9 R U /1 η m

ORIGINAL INSPECTED

H 2513 -4-

iiergestellten Gegenständen besitzen jedoch keine "bestimmte gleichmäßige Verteilung der Fasern innerhalb des gesamten Schaums. Grundlegend ist es ausserordentlich schwierig, wenn nicht tatsächlich unmöglich,eine "vernünftige Fasermenge mit der Schaummischung während der sogenannten Krembildungszeit vermischt zu erhalten.

Diese und andere Nachteile der oben beschriebenen Herstellungsverfahren sind allgemein bekannt.

Gemäß vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter geschäumter Gegenstände geschaffen worden, bei dem eine bestimmte Verteilung von zufällig orientierten Stapelfasern innerhalb des geschäumten Artikels erzielt wird, und bei dem ein im wesentlichen gleichmäßiges Verhältnis der Fasern zu dem geschäumten Material innerhalb der ganzen Masse herrscht.

Im einfachsten Sinne wird der faserverstärkte geschäumte Gegenstand gemäß der Erfindung in der Weise hergestellt, daß man getrennte Verstärkungsfasern wie Glasfasern in der verschäumbaren Harzmischung vor dem Verschäumen der Masse gleichmäßig verteilt. Diese Verteilung wird durch folgende Maßnahmen erreicht:

a) Zusatz der Fasern, beispielsweise der Faserbündel,

6098 4 3/1003

H 2513 -5-

mindestens zu der Hauptkomponente der verschäumbaren Harzmasse, d.h. zu der UrsprungsverMndung der ν er schäumbar en Harzmasse, wobei ein Faserschlamm gebildet wird;

b) Vermischen des Faserschlamms während einer Zeit, die ausreicht,um mindestens einen Teil der Fasern aus dem Faserbündel in die Form getrennter Fasern überzuführen und die so getrennten Fasern und die noch vorhandenen Faserbündel mit der Ursprungsmasse zu tränken;

c) die getrennten und mit der Ursprungsmasse getränkten Fasern mit der Restkomponente zu vermischen, die notwendig ist, um eine verschäumbare Harzmasse zu bilden, wobei die Fasern im wesentlichen gleichmäßig in der verschäumbaren Harzmasse .verteilt sind und

d) hierauf die verschäumbare Harzmasse in einer geeigneten Form sich zum Schaum ausbilden zu lassen.

Bei* einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem verschäumbaren Harz um eine wärmehärtbare Harzmasse. Tatsächlich wird eine verschäumbare Polyurethanharzmasse besonders bevorzugt.

Andere geeignete verschäumbare Harzmassen, die für die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen werden, umfassen Phenolaldehyd- und Harnstoffaldehydharze, ferner Polyesterharze, Polyolefinharze, natürliche und synthetische Elasto-

609843/1003

ORIGINAL INSPECTED

H 2513 -6-

mere und dergleichen.

Im allgemeinen werden die Verstärkungs fasern mindestens der Hauptkomponente der verschäumbaren Harzmassen in einer Menge zugesetzt, die ausbricht, um eine Konzentration der Fasern in dem fertigen, verschäumten Gegenstand zu erreichen, der etwa 1 Gew.-% übersteigt und vorzugsweise über etwa 10 Gew.-% liegen soll.

Der Rest der zur Bildung einer verschäumbaren Harzmasse erforderlichen Harzkomponente umfasst für gewöhnlich Kataly satoren, oberflächenaktive Mittel, Schaumstabilisatoren, Alterungsmittel und dergleichen.

In gewisser Hinsicht befasst sich die vorliegende Erfindung mit einer neuen faserverstärkten, wärmehärtbaren Harzmasse, die einen Schaumkern und eine wesentliche Aussenhaut mit zufällig orientierten Stapelfasern aufweist, die innerhalb der Schaummasse derart verteilt sind, daß das Gewichtsverhältnis der Fasern zu dem wärmehärtbaren Harz an irgendeinem Punkt innerhalb der Masse im wesentlichen gleichförmig ist. Die Konzentration der Fasern in der Masse beträgt mindestens 1 Gew.-%, liegt jedoch vorzugsweise in der Größenordnung von 10 bis etwa 50 Gew.-#.

609843/1003

ORIGINAL INSPECTED

H 2513 -7-

lm weiteren Verlauf befasst sich die vorliegende Erfindung mit einer Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Materialien in einem Arbeitsgang, welche' faserverstärkte wesentliche Aussenhäute besitzen. Die 'Vorrichtung besitzt Pump einrichtungen, die dazu geeignet sind, die Fasern mit der Ursprungsmasse des Harzschaums in Zirkulation zu versetzen und zu vermischen, ohne die Unversehrtheit und die Länge der getrennten !fasern zu zerstören. Die Vorrichtung umfasst Pumpeinrichtungen mit fortschreitenden Hohlräumen oder dergleichen, um die Suspension aus Fasern und dem Ursprungs material des Harzes zu verpumpen. Eingeschlossen sind ferner statische Mischköpfe zum Vermischen der Fasersuspension mit dem Rest der Bestandteile der verschäumbaren Harzmasse wie beispielsweise einem Alterungsmittel, einem Katalysator oder einem Blähmittel. Schliesslich sind Formeinrichtungen vorgesehen, um die Dicke der verschäumbaren Harzmischung zu begrenzen. Die Formeinrichtungen stehen natürlich mit den heissen Mischeinrichtungen in Verbindung. Zu den Formeinrichtungen gehören auch Vorrichtungen, um die Temperatur und den Druck innerhalb der Form auf dem ge wünschten Niveau für den gerade produzierten Gegenstand zu halten.

Diese und andere Ausführungsformen der vorliegenden

6 0 9 B A 3 / 1 Π Π 3

1546373

H 2513 -8-

/der Erfindung werden noch deutlicher beim Lesen/ins einzelne

gehenden Beschreibung der Erfindung, die nunmehr folgt.

Die Erfindung soll weiterhin unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden, die schematisch ein typisches Fließschema bei der Durchführung des Verfahrens der vor liegenden Erfindung darstellt.

Die Praxis der Erfindung zieht die Bildung eines geschäumten Gegenstandes in Betracht, der durchgängig eine Faser Verstärkung aufweist. Besonders in Betracht gezogen ist die Bildung eines faserverstä-rkten geschäumten Gegenstandes, der einen Kern geringer Dichte und eine wesentliche Haut von hoher Dichte aufweist. Daher kann jede wärmehärtbare Harzmasse, die sich schäumen läßt oder die expandiert,bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispiele geeigneter wärmehärtbarer Harze, die in die verschäumbaren Harzmassen eingemischt werden können, sind Phenolaldehydharze, Harnstoffaldehydharze, Epoxyharze und Polyurethane.

Die oben erwähnten Harze lassen sich leicht aus im Handel erhältlichen Polymerrohstoffen nach allgemein bekannten Verfahren herstellen. Beispielsweise werden Polyurethanharze durch Polymerisation von Polyolen und Polyisocyanaten

609843/ 1003

2S463V3

Ξ 2513 -9-

gewonnen, Polyester durch. Polymerisation von Polycarbonsäuren und Polyölen.

Überdies sind manche dieser Harze in der Form von Vorpolymerisaten erhältlich, die bei Zusatz eines Vernetzungsoder Alterungsmittels und/oder eines geeigneten Katalysators weiter zu einem Kunstharzgegenstand polymerisiert werden können. ^o stellen die Monomeren, Polymeren und Vorpolymerisate den Hauptbestandteil des Hohmaterials einer verschäumbaren Harzmasse dar. Vernetzungs- oder Alterungsmittel stellen einen anderen Hauptbestandteil solcher Harzmassen dar. .so ist beispielsweise im !"all einer Polyester harzmasse ein Hauptbestandteil der Kasse eine Polycarbon säure, wie eine Dicarbonsäure, und ein anderer Hauptbestandteil ist ein Polyalkohol wie beispielsweise ein Diol. Im FaIl des Polyurethans stellt sowohl das Polyisocyanat wie auch das Polyol einen Hauptbestandteil der Harzmasse dar. Andernfalls kann auch ein Vorpolymerisat, wie ein Polyisocyanat, den Hauptharzbestandteil darstellen, und ein Ver netzungs- oder Alterungsmittel für Polyole auf der Grund lage von Sorbit oder Saccharose kann den zweiten Hauptbe standteil der Harzmasse darstellen.

Die Harzmassen werden nach allgemein bekannten Verfahren verschäumbar gemacht. So kann beispielsweise ein Blähmittel

....10

609843/100 3

ORIGINAL INSPECTED

2 5 4 6 3 7 J

H 2513 -10-

der flüssigen Harzmasse zugesetzt oder dieser einverleibt werden. Das Blähmittel kann eine Verbindung sein, die beim .Erhitzen infolge chemischer Reaktion ein Gas in Freiheit setzt, oder es kann eine Flüssigkeit sein, die beim Er hitzen oder bei einer Druckverminderung verdampft, um ein Verschäumen zu bewirken. Das Blähmittel kann auch selbst ein Gas darstellen. 'Typische Blähmittel sind Kohlenwasserstoffe, wie Pentan und Fluorokohlenwasserstoffe, ferner feste gasentbindende Verbindungen, wie Azo- und Hydrazoverbindungen, ferner Carbonate und Bicarbonate, und Gase wie Stickstoff und Kohlendioxyd.

Andere Zusatzstoffe, die den νerschäumbaren Harzmassen zugesetzt werden können, sind Katalysatoren, Härtemittel, Plastifizierungsmittel, schaumstabilisatoren, Farbstoffe, Entflammungsverzogerer und dergleichen. Diese Verbindungen sind alle allgemein bekannt. So sind beispielsweise Kata lysatoren zum Polymerisieren von Harzmonomeren in der Technik allgemein bekannt; zur Erläuterung seien Amine, Polyamine, Zinnsalze, organische Zinnverbindungen und dergleichen erwähnt, die gewöhnlich zur Katalysierung der Polymerisation der Polyisocyanate und der Polyöle zu Polyurethane verwendet werden; ferner Säuren und Basen, die gewöhnlich bei der Bildung von Polyestern verwendet werden und dergleichen.

609843/1003

ORIGINAL INSPECTED

2 b 4 6 3 7 3

H 2513 -11-

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung hängt die Wahl des speziellen Harzes und der Zusammensetzung der νerschäumbaren Harzmassen im wesentlichen von dem Verwendungszweck ab, zu dem der Schaum bestimmt ist. Tatsächlich ist allgemein bekannt, daß die Eigenschaften eines ver schäumten Harzes, d.h. ob der schaum fest oder biegsam ist, ob die Zellen geöffnet oder geschlossen sind, ob die Masse ohne Haut oder mit einer wesentlichen Haut behaftet ist, weitgehend durch allgemein bekannte Verfahren geregelt werden kÖJinfndie chemische Veränderungen in der Zusammen setzung, der Masse und den physikalischen Arbeitsbedingungen enthalten. Überdies gibt es eine ausserordentliche Auswahl von technisch verfügbaren Zusammensetzungen flüssiger Systeme, die ein ebenso weites Gebiet von Eigenschaften der erhaltenen Schäume zu erzielen gestatten. So liegen beispielsweise feste Polyurethanschaumsysterne technisch als Zweikomponentensysteme vor. Ein Bestandteil besteht aus der Isocyanatkomponente, die gewöhnlich auf Toluoldiisocyanat oder 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat beruht. Der zweite Bestandteil enthält Polyolmischungen einschliesslich des Katalysators, des Blähmittels, des oberflächenaktiven Mittels und dergleichen. Spezielle Systeme werden je nach der gewünschten Dichte, der Zellstruktur, der Festigkeit usw. der erhaltenen Schäume gewählt.

12

609843/1003

ORIGINAL iNSPECTED

H 2513 . -12-

Zusätzlich zu den Änderungen in der Zusammensetzung zur Erzielung der Schaumdichte, der Hautbildung und anderen Schaumeigenschaften, können beispielsweise die Temperaturen der Formen und die Arbeitsdrucke geändert werden, um eine Bildung wesentlicher Aussenhäute zu bewirken. Diese Ver fahren sind alle in der Technik wohl bekannt.

Um faserverstärkte verschäumte Gegenstände mit bestimmter Verteilung der Fasern im Schaum herzustellen, müssen eine verschäumbare Masse und Verfahrensbedingungen gewählt werden, die mit einer solchen bestimmten Verteilung verträglich sind, wenn beispielsweise die Fasern gleichmäßig im Schaum verteilt werden sollen, müssen die Schaumzusammensetzung und die Verfahrensbedingungen so ausgewählt werden, daß sie einen gleichmäßig dichten Schaum liefern. Wenn man andererseits einen Schaum herzustellen wünscht, bei dem die Fasern vorzugsweise in der dichten, festen, äusseren Haut vorhanden sind, müssen die Schaumzusammensetzung und die Verfahrensbedingungen so ausgewählt werden, daß eine wesentliche Haut oder ein entsprechend struktu rierter Schaum erzeugt wird.

Die faserige Masse, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung angewendet werden soll, läßt sich aus einem weiten Bereich von Fasern, einschliesslich solcher

...13

6098

OR)GfMAL SNSPEGTED

H 2513 -13-

Materialien wie Glas, Kohlenstoff, Graph.it, Metall, Borfasern und dergleichen, auswählen. Bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es jedoch be sonders vorzuziehen, geschnittene Glasfasern zu verwenden. Die Glasfasern können fast jede beliebige Länge besitzen; sie sollen jedoch im allgemeinen eine Länge von 76 mm nicht überschreiten, und tatsächlich bewegt sich die Größenordnung ihrer Länge im allgemeinen zwischen 3 bis 25 nun· Die Fasern können aus einzelnen Fäden geschnitten werden; es können auch Faserbündel verwendet werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist tatsächlich besonders für die Verwendung von Bündeln von Glasfasern geeignet. Glasfaserbündel, die aus etwa 260 Einzelfäden im 3ündel bestehen, sind im Handel in Stapellängen erhältlich.

Die Menge der Fasern, die bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendet wird, hängt von den Fasern selbst und der gewünschten Festigkeit des herzustellenden ver schäumten Materials ab. So ist es beispielsweise bekannt, daß Graphitfasern dem Kunstharz eine beträchtliche Festigkeit verleihen. Infolgedessen werden weniger Graphitfasern als Verstärkungsmaterial erforderlich sein, um eine ge wünschte Festigkeit zu erzeugen als bei der Anwendung von Glasfasern. Im allgemeinen beträgt jedoch die Menge der angewendeten Fasern berechnet auf die Menge des zu ver schäumenden Harzes mehr als A%. Wenn Glasfasern ...14-

609843/1003

ORIGINAL INSPECTED

H 2513 -1-4-

verwendet werden, ist es in der Tat vorzuziehen, 10 bis 50 Gew.-% Glasfasern berechnet auf das Gesamtgewicht des verschäumten Gegenstandes zu verwenden. Innerhalb dieser Größenordnungen ist es selbstverständlich, daß Mischungen von Fasern verwendet werden können, wenn es aus Gründen der Festigkeit, der Wirtschaftlichkeit usw. erwünscht ist, solche Mischungen anzuwenden.

Um sicherzustellen, daß der faserverstärkte, verschäumte Gegenstand die gewünschte Verteilung von Fasern im schaum, aufweist, und daß ein im wesentlichen gleichmäßiges Ge Wichtsverhältnis von Fasern zu schaum innerhalb des ge samten Gegenstandes vorhanden ist, wird Wert darauf gelegt, daß die Fasern im wesentlichen gleichmäßig in mindestens dem Hauptbestandteil der verschäumbaren Masse vor dem Zusatz der Bestkomponenten verteilt sind, welche notwendig sind, um die Harzmasse verschäumbar zu machen. Tatsächlich müssen wenigstens einige der Fasern in Form von isolierten zufällig orientierten Fasern aus den Faserbündeln abge trennt werden. Wie sich leicht verstehen läßt, verzwirnen sich diese getrennten und zufällig orientierten Fasern, selbst wenn sie nur eine geringe Menge innerhalb des Harzes! darstellen und tragen damit erheblich zu der mechanischen Festigkeit des fertigen verschäumten Gegenstandes bei.Die erforderliche Trennung der Fasern wird dadurch erzielt,

609843/1003

ORiGlNAL INSPECTED

H 2513 -15-

daS die Faserbündel im wesentlichen homogen in mindestens im Hauptbestandteil der νerschäumbaren Masse vor dem Zu satz der Restkomponenten verteilt werden, die erforderlich sind, um die Masse verschäumbar zu machen. Demnach werden die Fasern mindestens zu dem Hauptharzbestandteil züge setzt, der aus Monomeren, Vorpolymerisaten und Härtemit teln besteht, um eine Faseraufschlämmung herzustellen. Diese Faseraufschlämmung wird vermischt,indem das Material von einem Hauptvorratsbehälter durch eine Umlaufleitung gepumpt wird. Das Mischen des Hauptbestandteils wird ge nügend lange Zeit fortgesetzt, um im wesentlichen die Fasern zu benetzen und die Fasern in getrennte zufällig orientierte Einzelfäden aufzulösen. Das Mischen erfolgt im allgemeinen etwa eine Minute bis etwa 15 Minuten und vorzugsweise etwa 3 Minuten bis 6 Minutenlang. Das Pumpen erfolgt mit einer Pumpe, die eine fortschreitend größere Höhlung aufweist oder mit einem hydraulischen Druckkolben oder einem Plungerkolben. Das Mischen mit Pumpen dieses Typs trennt die Fasern von den Faserbündeln in einzelne Fäden, wobei aber ihre strukturelle Beschaffenheit unversehrt bleibt. Die Fäden sind gleichmäßig verteilt, ohne daß sie gebrochen sind.

Die Trennung der Fasern aus den Bündeln in Einzelfasern kann mit den Augen verfolgt werden. Diese Trennung ist

...16

609843/ 1003

H 2513 -16-

aucli von einer wesentlichen Zunahme der "Viskosität des
Schlamms begleitet und kann daher physikalisch gemessen werden. Eine solche Messung ist jedoch nicht notwendig. In ähnlicher Weise ist die Benetzung der Fasern mit den Augen zu "beobachten; sie wird offensichtlich durch eine Änderung der lasern, deren Aussehen sich von^einem matten zu einem durchscheinenden Bild ändert.

Um zum Verfahren der- Erfindung zurückzukehren, wird der Faserschlamm nun abgemessen und beispielsweise mit Hilfe eines statischen Mischkopfes mit einer Mischung des Katalysators, des Stabilisiaungsmittels für den Schaum, des Alterungsmittels und des Blähmittels vermengt, d.h. mit dem Rest der Bestandteile, die notwendig sind, um eine verschäumbare Harzmasse herzustellen. Grundsätzlich teilen die statischen Mischer einen otrom in mehrere Lagen und vereinigen dann diese bchichten in der Weise, daß die Oberfläche zwischen den Schichten vergrößert wird. Derartige Oberflächengeneratoren sind in den amerikanischen Patentschriften 3,4-04,869 und 3,751,377 beschrieben. Die entstehende Mischung wird in eine Form eingefüllt, wo man sie sich schnell ausdehnen läßt, wobei sie den Hohlraum der Form ausfüllt und einen Druck zwischen 0,7 und 7 atü ausübt. Eine Erhitzen von aussen ist im allgemeinen un nötig, da die Vulkanisations- und Verschäumungsreaktion

exothermisch verläuft, wobei genügend Hitze entsteht.

...17

609843/1ttn3

2b46373

H 2513 -17-

Falls es notwendig ist, kann jedoch die Form auf eine Temperatur in der Größenordnung von 4,5 bis 121⁰C durch, aus sere !Temperaturregelung gehalten werden, beispielsweise durch, jörhitzen oder Kühlen, wenn dies erforderlich sein sollte.

Die Herstellung einer Faseraufschlämmung zu Beginn des "Verfahrens in mindestens dem Hauptbestandteil der Harzmasse und das anschließende innige Mischen des Schlammes mit dem Rest der Bestandteile der verschäumbaren Harzmasse vor dem eigentlichen Verschäumen sichert eine ausreichende Benetzung der Fasern durch die Harzkomponente und hierdurch eine gleichmäßige Verteilung der Fasern innerhalb der Ge samtmasse der verschäumbaren Harzmasse, und damit innerhalb des gesamten verschäumten Gegenstandes. Auf diese Weise ist die Menge der Verstärkungsfasern je Gewichtseinheit des Harzes im wesentlichen innerhalb des gesamten verschäumten Gegenstandes gleichmäßig. So weist beispielsweise ein mit Fasern verstärkter Schaum gemäß der Erfindung, der eine Haut großer Dichte und einen Kern geringer Dichte besitzt, im wesentlichen die gleiche Fasermenge je Gewichtseinheit des Harzes an irgendeinem Punkt innerhalb der Haut und des Kerns auf. Da jedoch die Haut eine hohe Dichte aufweist,befindet sich ein beträchtlicher Anteil der Gesamtmenge der Fasern im fertigen Gegenstand ebenfalls in dieser Haut von hoher Dichte. ...18

609843/1003

H 2513 -18-

Eine Regelung der Bedingungen der Verschäumung durch Abstimmung des Harzes und die physikalischen Arbeitsbedingungen gestattet somit die Bildung von faserverstärkten verschäumten Gegenständen, die ein bestimmtes und im wesentlichen gleichmäßiges Verhältnis von Fasern zum Harz innerhalb des gesamten Gegenstandes aufweisen. Schäume, die einen Kern geringer Dichte und eine Haut hoher Dichte besitzen, können bis zu 90 % der Fasern in der Haut ent halten. Bei der Herstellung von Schäumen, die im wesent liehen gleiche Dichten im Kern und der Haut aufweisen, sind die Fasern in der Haut und dem Kern gleichmäßger verteilt. Demnach kann nicht nur ein Material geringer Dichte und hoher Festigkeit durch das vorliegaide Verfahren hergestellt werden, sondern es können in breitem Ausmaß fa serverstärkte verschäumte Gegenstände durch einfache An derung der Prozessvariablen nach Wunsch hergestellt werden.

Wie oben angegeben, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung besonders gut für Fabrikation von faserverstärkten strukturierten Schäumen geeignet. Indessen ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch nützlich bei der Fabrikation dicker,strukturierter Formplatten, beispiels weise mit einer Dicke bis zu 76 mm oder sogar noch mehr. Die zufällig orientierten und gleichmäßig verteilten Fasern, die in den Schaummassen gemäß der Erfindung vorhanden sind, vermeiden offensichtlich die inneren

...19

609843/1003

2 b 4 B 3 7

H 2513 -19-

Spannungen der bisher bekannten Materialien.

Es ist offensichtlich, daß auch blattförmige Verstär kungsmaterialien, wie gewebte G-I asf as ermatt en, in Gegenstände nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung einverleibt werden können. So kann beispielsweise eine Glasfasermatte in den Grund der Form vor dem Verschäumen des Harzes gemäS der Erfindung eingelegt werden. In der Tat wird eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Schaums durch die Verankerung des Gewebes in dem verschäumten Artikel durch die zufällig orientierten Fasern erhalten.

Das Verfahren wird nun zur Erläuterung unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung unter Verwendung von Glasfasern und einem Polyurethanharz beschrieben. Stapelfasern in der Form von Faserbündeln werden über die Leitung 10 zu der Hauptharzkomponente zugesetzt, in diesem Fall handelt es sich um Polyisocyanat, zum Beispiel ein 'Doluoldiisocyanat oder ein Polymethylenpolyphenylisocyanat, das sich in dem mit der Ziffer 12 bezeichneten Behälter befindet. "Wie aus der gestrichelten, mit Ziffer 11 bezeichneten Linie hervorgeht, können die Fasern statt dessen ganz oder teilweise der zweiten Komponente der Harzmasse zugesetzt werden. Vorzugsweise werden die Fasern jedoch

609843/1003

H 2515 -20-

im Behälter 12 zugesetzt. Das Harzrohprodukt und die Fasern werden durch die Leitung 15 mit Hilfe einer Pumpe in Umlauf versetzt, beispielsweise wird eine nicht-dargestellte Pumpe mit fortschreitender Höhlung verwendet. Das Pumpen wird fortgesetzt, bis mindestens einige der Fasern aus dem Bündel abgetrennt und vereinzelt sind und die Fasern und die Bündel mit dem Polyisocyanat benetzt sind. Bei einer Benetzung der Fasern, d.h. wenn die Aufschlämmung durchscheinend wird, ist ein wesentlicher Teil der Fasern aus dem Bündel abgetrennt. Ein gesondertes Gefäß, das bei 14 dargestellt ist, dient für das Alterungsmittel für das Polyol, beispielsweise ein Mittel auf der Grundlage von Sorbit oder Saccharose, sowie für das Blähmittel, den Katalysator, gege**be nenfalls Füllmittel und oberflächenaktive Stoffe. Wie an gegeben können die Fasern dem Behälter 14 zugesetzt werden; in diesem Fall erfolgt ein Umpumpen durch die Leitung 20, um die Fasern zu trennen und zu benetzen. Es werden etwa stoichiometrische Mengen des PoIyisocyanateSchlamms aus dem Behälter 12 und der Polyolmischung aus dem Behälter 14 abgemessen und in einen Mischkopf, der im allgemeinen mit der Ziffer 16 bezeichnet ist, durch die Leitungen 17 und 19 eingeleitet. Von dem Mischkopf 16 gelangen die Reaktions teilnehmer durch die Leitung 21 in die Form 18, in der die Reaktionsteilnehmer verschäumt und vulkanisiert werden.

6098O/1003 ***²¹

H 2513 -21-

Im allgemeinen werden Schienten von 2,5 cm Dicke und
Abmessungen von 90 χ 120 cm gemäß vorlegender Erfindung hergestellt, welche die in Tabelle I angegebenen Eigenschaften besitzen. Für Vergleichszwecke sind die Eigenschaften einer nicht mit Fasern verstärkten Schicht
angegeben.

0 9 8 4 3/1003

H 2513

TABELLE I

=5 ω

"Xi ΠΙ

m σ

CO

OO

Ca)

Schicht	Glasfaserge halt in %	Glasfaser- verteilung	Dichte	Biegemodul	Biegefestigkeit
Geringe Dichte	10	80% in der Haut	0,34	220,000	2800
Hohe Dichte	10	gleichmäßig	0,70	330,000	4000
Hohe Dichte	20	gleichmäßig	0,68	500,000	6500
Keine Verstärkung	nichts	———	0,55	120,000	2300

Die Biegefestigkeit und der Modul wurden nach den Vorschriften des AüTM-Testverfahrens D-790 gemessen.

...23

£-- CO (X)

H 2513 -23-

wie sich, aus dem Vorstehenden ersehen läßt, hat ein faserverstärkter Schaum geringer Dichte, bei dem die Verstärkungsfasern in der Haut konzentriert sind, vorteilhaftere Eigenschaften selbst als eine dichtere, nicht-verstärkte Schaumschicht.

Schäummassen geringer Dichte, die einen Gesamtfasergehalt bis zu 50 °/o aufweisen, sind nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt worden, wobei 90 % der Fasern in der Haut vorhanden waren. Die Kerndichte dieser Kate rialien liegt im allgemeinen zwischen 1 bis 3 Pfund/ft , d.h. zwischen 0,16 und 0,49 und die Hautdichte zwischen etwa 30 bis 60 Pfund/ft^,d.h. zwischen 4,86 bis 9,7·

Wie leicht ersichtlich, bietet das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit verschiedener Abänderungen. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, kann die Form auch mit Einlagen und Materialien, wie Metallblechen oder Matten von gewebten oder ungewebten Fasern, mit Gaze oder dergleichen oder mit Metallfolien ausgekleidet sein, derart, daß diese Einlagen und Materialien in die sehr dichte faserverstärkte Kunststoffhaut während der Verformung einverleibt werden. Tatsächlich sind Schaumplatten anderer Dicke gemäß der Erfindung hergestellt worden. Diese 5chaumplatten weisen etwa 10 Gew.-% Glasfasern auf,

...24 609843/1003

/546373

H 2513 -24-

berechnet auf das Gesamtgewicht des Harzes. Dabei wurde eine erste ochicht eines Acrylfilms und eine zweite Schicht aus gewebtem Glasgespinst vor der Einleitung der Schaummasse in die Form eingelegt. Die Eigenschaften dieser Materialien sind aus Tabelle II ersichtlich.

609843/1003

ORIGINAL

H 2513

TABELLE II

Versuch Nr.

10

Dicke in mm Dickte

ο co οο j> Biegefestigkeit ω PSL (ASiDM D-790)

-* 9, 5jmi-Bo 1 ζ enz i eh- ^ test in Kg

^*³ 7,6mm Biegung bei Doppe Ib e anspruchung letzter Wert

24 23 17 18 20 24,6 18 13

4,78 5,4 5,65 5,95 6,0 6,2 6,77 9,6

410,ooo 400,000 530,000 470,000 600,000 580,000 720,000 1,100,000

259

263

322

363

231,5 408,6
1112

436
1544

■<! CO

Claims (10)

1. H 2513 -26-

   PATMQ? ANSPRÜCHE

   Verfahren, zum Formen vor schäumt er Gegenstände mit einer bestimmten Verteilung von zufällig orientierten Fasern innerhalb des gesamten Artikels und einem im wesentlichen durchgängig gleichmäßigen Gewichtsverhältnis von Fasern zu ge schäumten Harz, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:

   a) Zusatz der Fasern zum mindestens dem Hauptbestandteil der schäumbaren Harzmasse, wobei ein Faserschlamm gebildet wirdj

   b) Mschen dieses Schlamms während einer Zeit, die ausreicht, um die Fasern in einzelne, getrennte Fäden aufzulösen und die Fäden mit dem Hauptbestandteil zu benetzen,wobei eine im wesentlichen gleichmäßige Disper sion von zufällig orientierten Fasern in diesem Bestandteil gebildet wird;

   c) Mischen der Dispersion mit dem Eest der Bestandteile, die notwendig sind, um eine verschäumbare Harzmasse zu bilden;

   d) anschließend die Harzmasse in einer geeigneten Form zu verschäumen. ...27

   609843/1003

   ORIGINAL INSPECTEP

   H 2513 -27-
2. 2. Verfahren nach. Anspruch. 1, dadurch, gekenn zeichnet, daß das verschäumbare, wärmehärt-"bare Harz ein Polyureth.anh.arz ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fasern mit einem Polyisocyanat zur Bildung einer Faseraufschlämmung vermischt werden, worauf diese Faserauf schlämmung mit einem Polyol; einem Kataly sator und einem Blähmittel vermischt wird, wodurch ein verschäumbares Polyurethanharz erhalten wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Faserstoffe Glas, Kohlenstoff, Graphit, Borfasern und andere verwenfet werden.
5. 5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fasern aus Glas "bestehen.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fasern aus Glas bestehen und in einer Menge von mehr als 10 Gew.-%, berechnet auf das Gesamtgewicht des Harzes, vorhanden sind.

   609843/1003 *

   2 b 4 6 3 7

   H 2513 -28-
7. 7. Verfahren zur Herstellung eines Polyurethanschaumgegenstand.es mit einem Kern von geringer Dichte und einer Haut von hoher Dichte aus einem aus mindestens zwei Bestandteilen "bestehenden Polyurethanharzsystem, dadurch gekenn zeichnet, daß etwa 1 bis etwa 50 Gew.-% Glas fasern, "berechnet auf das Gesamtgewicht des Harzsystems, zum mindestens einem der beiden Bestandteile zugesetzt werden; daß man die Fasern in diesem Bestandteil eine Zeitlang mischt, die ausreicht, um die Fasern in getrennte, zufällig orientierte Fäden aufzulösen und die Fäden mit dem Bestandteil zu benetzen, wobei eine im wesentlichen gleichmäßige Dispersion der Fasern in diesem Bestandteil erfolgt; daß man die Dispersion mit dem zweiten Bestandteil mischt, wodurch eine verschäumbare Masse erhalten wird; daß man diese verschäumbare Masse in einer Form bei einem Druck von etwa 0,7 bis etwa 7 atü verschäumt, wobei auf einem faserverst-ärkten Kern eine faserverstärkte wesentliche Haut gebildet wird.
8. 8. Faserverstärkter, strukturierter Schaum mit einem Kern von geringer Dichte und einer wesentlichen Haut von hoher Dichte, dadurch _OQ

   609843/10 03

   H 2513 -29-

   gekennzeich.net, daß der Schaum etwa 1 bis etwa 50 Gew.-% getrennter Glasfasern enthält, die zufällig orientiert und innerhalb des gesamten Schaums verteilt sind, wobei das Gewichtsverhältnis der Fasern zum Harz im wesentlichen gleichmäßig ist.
9. 9. Schaum nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Kerns zwischen etwa 0,16 und 0,47 und die Dichte der Haut zwischen etwa 4,86 und 9,72 liegt.
10. 10. Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter, geschäumter Harze, die innerhalb des gesamten Schaums getrennte Fasern verteilt enthalten, so daß das Gewichtsverhältnis der Fasern zum Harz im wesentlichen konstant ist; gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

    a) Pump-T»vorrichtung zum Umpumpen und Mischen der Fasern und dem Rohprodukt zur Herstellung des Harzschaumes, wobei die Fasern zu getrennten Fäden vereinzelt und mit dem Rohprodukt angefeuchtet werden, wobei eine im wesentlichen homogene Aufschlämmung erzielt wird;

    ...30 609843/1003

    H 2513 -30-

    "b) Vorrichtung zum Einpumpen einer Mischung eines Alterungsmittels, eines Katalysators, und eines Blähmittels;

    c) statische Mischkopfe zum Mischen der

    Faseraufschlämmung mit dem Vulkanisiermittel, dem Katalysator und dem Blähmittel, wobei ein verschäumbares Harz erhalten xvird; und

    d) Formvorrichtungen zur Begrenzung der Dicke des bchaums, wobei diese Formvorrichtungen mit den statischen Mischköpfen in Verbindung stehen.

    609843/ 1003

    ORIGINAL INSPECTED