DE2642330A1 - Laminierter kunststoffbogen und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Laminierter kunststoffbogen und verfahren zu dessen herstellung

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DE2642330A1
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Albert H Steinberg
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Description

Es ist bekannt, daß viele thermoplastische Polymere nach verschiedenen Metallblecherzeugungsmethoden, wie durch Tiefziehen, Streckverformung, Stanzen, Schmieden, Kaltextrudieren usw. zu Formungen verarbeitet werden können. Diese Formverfahren sind wirtschaftlich sehr attraktiv, da es möglich ist, große Produktionsgeschwindigkeiten zu erreichen, wie beispielsweise solche, die pro Teil nur 1 Minute oder weniger betragen.
Leider neigen verstärkte thermoplastische Teile, die nach diesen Verfahren hergestellt wurden, dazu, schlechte Oberflächen-
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eigenschaften zu besitzen, so daß sie für große Automobilaußenflächen unannehmbar sind. Um diese Nachteile zu beseitigen/ wurden Bögen und Verfahren wie jene gemäß der US-PS 3 684 645 und der US-Patentanmeldung Serial No. 564 019 entwickelt.
Allgemein wird nach dem Stand der Technik ein thermoplastischer Bogen, der mit einer Verstärkung vom Glasmattentyp verstärkt ist, in einem Ofen oberhalb des Erweichungspunktes des Harzes vorerhitzt. Der erhitzte Rohling wird dann zu den aufeinanderpassenden Metallformwerkzeugen einer Stanzpresse überführt und in einer modifizierten mechanischen oder schnell schließenden hydraulischen Presse oder dergleichen gestanzt. Das Formteil wird dann aus den aufeinanderpassenden Formwerkzeugen entfernt oder ausgestoßen. Die Verweilzeit in der Form beträgt 20 bis 80 Sekunden oder weniger. Das Formverfahren kann in die folgenden voneinander getrennten Stufen unterteilt werden:
1. Vorerhitzen des Bogens oder Rohlings
2. Überführung in die schnell stanzende Presse
3. Stanzen unter Druck während einer vorbestimmten Zeit
4. Entfernung oder Ausstoßen aus der Presse
In der Stufe 1 wird der zusammengesetzte Bogen oder Rohling in einem Strahlungsofen, dielektrischen Ofen, Infrarotofen, Konvektionsofen oder Vakuumofen oder einer Kombination dieser öfen oder einer ähnlichen Heizeinrichtung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes, doch unterhalb des Zersetzungspunktes der thermoplastischen Harzkomponente des Rohlings bzw. Bogens erhitzt.
In der Stufe 2 wird der heiße Rohling in eine Form in einer Stanzpresse überführt, in welcher die Form oder der Satz von
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Formwerkzeugen dem Bogen oder Rohling die erwünschte Gestalt des Endproduktes erteilen kann. Die Form wird auf einer Temperatur zwischen Raumtempratur (23° C) und etwa 160° C oder höher gehalten,je nach dem Polymerbestandteil des Bogens und den erwünschten Stanzeigenschaften.
In der Stufe 3 wird die Presse schnell ausreichend lange geschlossen, damit sich der Rohling der genauen Form der Formwerkzeuge anpassen kann und ausreichend abkühlt und/oder kristallisiert, um eine Entfernung des Teils ohne Verformung des-
selben zu gestatten.
In der Stufe 4 wird der Formling aus der Form entfernt.
Es ist erkennbar, daß Stanzpärameter, wie Druckerfordernisse, Verweilzeit in der Form, Vorheiζtemperatur, Formtemperatur usw., von der Bogenzusammensetzung, seiner Dicke, seiner Teilkomplexität usw. abhängig sind.
Glasmattenverstärkte Bögen dieser Art, wie sie bisher verwendet wurden, leiden unter bestimmten Nachteilen. Speziell wurden bei bekannten Zusammensetzungen die folgenden Nachteile festgestellt:
Oberflächennachbehandlung: Bekannte Zusammensetzungen enthalten gewöhnlich 30 bis 50 Gewichts-% Glasmatten. Eine solche Menge ist erforderlich, um dem Bogen hohe mechanische Festigkeit, einen hohen Modul und Bogenbeständigkeit während des Vorheizens und der überführung zu der schnell stanzenden Einrichtung zu verleihen.
Eine wesentliche Glasmattenmenge ist nicht nur erforderlich, um dem fertigen gestanzten Teil gute mechanische Festigkeit zu
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verleihen, sondern auch um die Bogenbestandigkeit während des Vorheizens und der überführung zu der schnell stanzenden Einrichtung zu behalten. Die hohe Glasmattenkonzentration der Menge, die erforderlich ist, um die notwendige mechanische Festigkeit zu bekommen und die Unversehrtheit des Bogens zu erhalten, wenn dieser erhitzt wird, neigt jedoch dazu, eine schlechte Oberfläche auf dem fertigen gestanzten Teil zu erzeugen. Für die Anwendung beispielsweise als Automobilaußenteile (Stoßstangen, Kühlerhaube), als Gerätegehäuse, Möbelteile usw. ist aber eine glatte, fehlstellenfreie Oberfläche zwingend erforderlich.
Frühere Versuche, dieses Problem zu lösen, wie gemäß der US-PS 3 684 645 und der schwebenden US-Patentanmeldung Serial No. 564 019, führten zu einem Bogen, der zwar scheinbar glatt ist, jedoch nicht den visuellen Prüfungen genügt, denen lackierte Teile in der Automobilindustrie normalerweise unterzogen werden. Ein solcher Test besteht darin, die Reflexion von fluoreszierendem Licht in dem lackierten Teil zu prüfen, um so zu bestimmen, ob die Oberfläche wellig, wenngleich glatt ist. Wenn die Oberfläche wellig ist, wird das Teil zurückgewiesen. Ein anderes Problem ergab sich infolge des "Durchscheinens" der langen Glasmatte, und dies ist wiederum ein visueller Test für lackierte Teile.
Nach der Erfindung wurden nun bestimmte neue Bogenzusammensetzungen und ein Verfahren zu deren Herstellung gefunden, wobei diese Bögen mit Glasfasern wenigstens zwei verschiedener Formen verstärkt sind. Diese Bögen haben den Vorteil relativ leichter Fabrikation, sie können leicht in einem Stanzverfahren
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verformt werden und' ergeben Produkte besserer Oberflächenqualität und mechanischer Eigenschaften. Speziell ergeben die Zu- " sammensetzungen nach der Erfindung Produkte, deren Eigenschaften wegen einer verbesserten Dispergierung eines Hauptteils der faserförmigen Verstärkungsphase auch im Mikromaßstab gleichmäßig sind. Die Zusammensetzungen besitzen auch gleichmäßigere Eigenschaften in nachbehandelten Teilen wegen einer verminderten Wahrscheinlichkeit einer Trennung von Glasfasern und Harz oder einer "Brückenbildung" über kleine Löcher, Senken, Ecken, Radien usw. Die hier beschriebenen Zusammensetzungen besitzen auch eine stark verbesserte Oberflächenqualität wegen a) der Orientierung der kurzen Fasern in der Ebene des Bogens, b) der Einkapselung der Glasmatte in einem thermoplastischen Harzgrundmaterial und c) des resultierenden verminderten Vorspringens von Glasmattenfasersträngen auf der Oberfläche des Bogens.
Speziell betrachtet die vorliegende Erfindung einen zusammengesetzten laminierten thermoplastischen Bogen mit glatter Oberfläche, der im wesentlichen frei von Oberflächenwellungen und von einem Durchscheinen von langen Glasfasern ist, und dieser erfindungsgemäße Bogen umfaßt in Gewichtsprozenten jeder Schicht a) wenigstens eine Schicht aus 40 bis 70, vorzugsweise 45 bis 64 % eines synthetischen thermoplastischen Polymers, etwa O bis 50, vorzugsweise 10 bis 30 % eines feinteiligen Füllstoffes und 0 bis 35, vorzugsweise 5 bis 25 % kurzer Glasfasern, die allgemein parallel zu der Ebene der Bogenbberfläche angeordnet sind, und b) eine an diese Schicht angrenzende Verstärkungsschicht aus 60 bis 95, vorzugsweise 60 bis 85 % eines synthetischen thermoplastischen Polymers, einer langen Glasfa-
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sermatte mit einem Gewicht im Bereich von 5 bis 40, vorzugsweise 15 bis 40 % und feinteiligen Füllstoffen im Bereich von 0 bis 40 %/ wobei die Matte im wesentlichen in einem Grundmaterial des thermoplastischen Polymers eingekapselt ist und die Verstärkungsschicht im wesentlichen frei von kurzen Glasfasern ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Bögen, das darin besteht, daß man a) eine erste'Bogenschicht aus etwa 40 bis 70 % thermoplastischem Harz, etwa 0 bis 50 % eines feinteiligen Füllstoffes und 0 bis 35 % kurzer Glasfasern, die in einer Ebene allgemein parallel zu der Bogenoberfläche angeordnet sind, vermischt und extrudiert, b) diese Schicht in einem polierten und kalibrierten Walzensatz bzw. Walzenstapel poliert, c) eine zweite Bogenschicht aus etwa 60 bis 95 % synthetischem thermoplastischem Harz und 0 bis 40 % feinteiligem Füllstoff, die aber im wesentlichen frei von Glasfasern ist, vermischt und extrudiert, d) den ersten Bogen, den zweiten Bogen und eine langfaserige Glasmatte in den Spalt eines Satzes von Laminierwalzen einführt, während das Polymer des zweiten Bogens noch in einem geschmolzenen Zustand ist, wobei der Abstand zwischen den Walzen wesentlich geringer als die Dicke der in den Walzenspalt eingeführten Bögen und Glasmatte ist, und so die lange Glasmatte mit dem zweiten Bogen imprägniert und den ersten und zweiten Bogen zu einem glatten mehrschichtigen Produkt laminiert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 schematisch ein System zur Herstellung der zusammengesetzten Bögen nach der Erfindung,
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Fig. 2 eine Stanzpresse für Bögen nach der Erfindung, Fig. 3 einen schematischen Querschnitt eines zusammengesetzten
Bogens nach der Erfindung und
Fig. 4 eine andere Konstruktion.
Gemäß der Zeichnung nimmt ein erster Extruder 11 ein Gemisch von thermoplastischem Harz, wie Nylon, kurzen Glasfasern und feinteiligem Füllstoff auf und extrudiert dieses Gemisch durch ein Mundstück zu einem mit Füllstoff versehenen Bogen 13, der in einem Polierwalzensatz 14 poliert und in der Dicke eingestellt wird. Ein ähnlicher thermoplastischer Bogen 15 wird mit dem Extruder 16 und dem Polierwalzensatz 17 hergestellt. Ein dritter Extruder 19 liefert einen thermoplastischen Bogen 20 an die Laminierwalzen 21 zusammen mit den Bögen 13 und 15 und der langen Glasmatte oder langen Glasmatten 23, die von der Walze oder den Walzen 24 abgegeben werden. Es ist wichtig, daß der Bogen 20 sich an dem Punkt, wo die Bögen auf den Walzen 21 zusammenlaufen, in einem geschmolzenen Zustand befindet und daß die Bögen 13 und 15 sich auf einer Temperatur wesentlich unterhalb des Schmelzpunktes des Polymers befinden, so daß die Kraft der Walzen 21 die Glasmatte oder Glasmatten 23 in den geschmolzenen Bogen 20 und nicht in die Bögen 13 oder 15 drückt.
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Auf diese Weise wird die lange stärkungsglasmatte im wesentlichen in dem Bogen 20 eingekapselt und beeinträchtigt nicht die Oberflächeneigenschaften der Bögen 13 und 15, wenn diese miteinander laminiert werden. Der Bogen wird mit dem Schneidmechanismus 26 auf dem Förderband 27 zerschnitten und zu dem Stapeltisch 28 befördert.
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Ein wichtiges Merkmal dieser Ausfuhrungsform des Verfahrens besteht in den Bearbeitungsbedingungen im Walzensatz 21.
Der Abstand zwischen den Walzen 21a und 21b ist wesentlich geringer als die kombinierte Dicke der vier Komponenten 13, 15,
20 und 23 (die Dicke der Matte 23 wird unter geringer oder gar keiner Kompression gemessen). Dies ist erforderlich, um eine Imprägnierung der Matte 23 mit dem Bogen 20 sowie eine Laminierung des resultierenden Produktes mit den Bögen 13 und 15 zu bekommen.
Die Temperatur des Bogens 20 sollte wesentlich oberhalb (wenigstens 30° C oberhalb) des Schmelzpunktes des Thermoplasten liegen, um eine ausreichende Restwärme zu bekommen, damit der Bogen 20 zwischen dem Extrudermundstück 30 und dem Walzensatz
21 abkühlen kann und die Glasmatte gleichmäßig darin imprägniert werden kann. Vorzugsweise ist die Temperatur des Bogens 50 bis 100° C oberhalb des Polymerschmelzpunktes am Punkt des Zusammenlaufens zwischen den Walzen 21a und 21b. Ein Erhitzen des Bogens auf eine höhere Temperatur in dem Extruder kann einen Abbau des Polymers verursachen und zu übermäßigem Energieverbrauch führen. Niedrigere Temperaturen führen zu einer ungenügenden Imprägnierung der Matte 23 mit dem Bogen 20 einschließlich eines unzureichenden Fließens des Polymers in die Hohlräume der Glasmatte, einer ungenügenden Bindung der Bögen 13 und 15 an den Bogen 20 und einer ungenügenden Bindung der Fasern an das Polymer, so daß man in dem Endprodukt schlechte physikalische Eigenschaften bekommt.
Aus den gleichen Gründen sollte der durch die Walzen 21a und 21b erzeugte Druck im Bereich von 150 bis 400 pound je linea-
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res inch liegen, um eine ausreichende Bindung der Schichten und eine ausreichende Imprägnierung der Glasmatte 23 mit dem Bogen 20 zu gewährleisten. Höhere Drücke erfordern stärkere Ausrüstungen. Beispielsweise müßten die Walzen 21a und 21b größeren Durchmesser, dickere Wände und Lager mit einer Kapazität für größere Belastung haben, um eine übermäßige Abweichung der Walzen 21a und 21b zu verhindern. Übermäßige Abweichung der Walzen 21a und 21b kann zu einer ungleichmäßigen Imprägnierung der Glasmatte 23 mit dem Bogen 20, zu einer ungleichmäßigen Bindung der Bögen 13 und 15 an den Bogen 20f zu einem ungleichmäßigen Aussehen der Oberfläche und zu einer ungleichmäßigen Dicke des Bogens 25 führen.
Der Bogen 13 kommt nach dem Verlassen des Polierwalzensatzes
14 in Berührung mit der Walze 21d und dann mit der Walze 21a. Der Bogen 15 kommt nach dem Verlassen des Polierwalzensatzes in Berührung mit der Walze 21c und dann mit der Walze 21b. Die Walzen 21c und 21d werden auf einer Temperatur nahe, doch etwas unterhalb des Schmelzpunktes des Polymers, vorzugsweise
5 bis 40° C unterhalb des Polymerschmelzpunktes gehalten. Die Walzen 21a und 21b werden auf einer Temperatur 10 bis 70 C unterhalb des Polymerschmelzpunktes gehalten. Die Temperaturen der Walzen 21a, 21b, 21c und 21d und die Infraroterhitzer 30a und 30b werden so eingestellt, daß die Temperatur der Bögen und 15 hoch genug ist, um eine starke Bindung der Bögen 13 und
15 an den Bogen 20 zu bekommen, doch wird die Temperatur nicht so hoch eingestellt, daß sie zu einem Festkleben des Bogens 13 an der Walze 21d oder 21c oder des Bogens 15 an der Walze 21a oder 21b oder zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität des Bogens 25 führen würde.
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Kühlwalzen, wie Walzen 29a und 29b, können verwendet werden, um die Temperatur des Laminates 25 ausreichend schnell zu senken, um das Schneiden mit dem Schneidmechanismus 26 zu erleichtern.
Eine alternative, weniger bevorzugte Ausführungsform bestünde darin, die Glasmatte 23 mit dem Bogen 20 in einem getrennten Vorgang zu imprägnieren und anschließend die Bögen 13 und 15 in einem Laminierverfahren damit zu laminieren, in welchem die Schichten unter Hitze und Druck oder während des Erhitzens und Stanzens miteinander gebunden werden, wobei unterschiedliche Laminate miteinander vereinigt werden könnten, je nach dem zu produzierenden Teil. Ein Beispiel der letzteren Methode ist in Fig. 2 gezeigt. Eine Sandwichstruktur aus den Schichten 13 und 15 und ein Bogen 20, der die Matte 23 enthält, wird in dem Ofen 34 erhitzt. Diese Erhitzungsstufe dient dazu, die Bögen für das Stanzen in der Presse 36 zu konditionieren und auch dazu, eine leichte Bindung zwischen den Schichtgrenzflächen zu bewirken. Der anschließende Druck der Presse 36 hat die Wirkung, gleichzeitig die Schichten zu laminieren und in einem Stück die resultierende Zusammensetzung zu bilden.
Der produzierte zusammengesetzte Bogen ist in Fig. 3 erläutert. Er umfaßt a) eine oder mehrere Oberflächenschichten, die 45 bis 65 % Polymer, 5 bis 25 % gut dispergierte, willkürlich orientierte kurze Glasfasern und 10 bis 30 % feinteiligen Füllstoff enthalten, b) eine Verstärkungsschicht, die im wesentlichen aus 15 bis 40 % verstärkender langer Glasmatte besteht, die in einem thermoplastischen Polymergrundmaterial derart eingekapselt ist, daß es im wesentlichen keine Wanderung der langen
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Glasfasern zu der Oberflächenschicht 13 und keine Wanderung der kurzen Glasfasern zu der Verstärkungsschicht 20 gibt.
Der stanzbare zusammengesetzte Bogen kann eine oder zwei fehlstellenfreie Oberflächen besitzen, wie in der Zeichnung gezeigt ist. Die kurzen, gut dispergierten Fasern 38 sind willkürlich, doch vorherrschend zweidimensional in der Ebene der Bögen 10 und 12 orientiert. Das heißt, mehr als 50 % der Fasern sind im wesentlichen parallel zu der Ebene des.Bogens ausgerichtet. Eine solche Orientierung der kurzen Fasern erreicht man leicht beim Extrudieren, Walzen, Recken oder bei ähnlichen orientierenden Verfahren, und diese Orientierung ist bevorzugt für die Erfindung, um Bögen mit glatter Oberfläche zu bekommen.
Die Dicke des Oberflächenbogenrohlings sollte wenigstens 0,76 mm (wenigstens 30 Mil) betragen. Ein dünnerer Oberflächenbogen kann dazu führen, daß das Muster der Verstärkungsmatte 23 der Zone 2 auf der Oberfläche des zusammengesetzten Bogens 25 sichtbar wird. Die Mindestdicke des Bogens 20 wird durch den Bedarf bestimmt, die Glasfasermatte 23 zu imprägnieren, und beträgt etwa 0,5 mm (20 Mil) je Unze/Quadratfuß der Glasfasermatte. Wenn die Dicke des Bogens 20 geringer als etwa 0,5 mm (20 Mil) je Unze/Quadratfuß der Glasfasermatte 23 ist, dann wird die Glasfasermatte 23 wahrscheinlich nicht gleichförmig mit dem Bogen 20 imprägniert, und dann hat der zusammengesetzte Bogen 25 wahrscheinlich keine gleichmäßigen Eigenschaften.
Die thermoplastischen Polymere, die bei der Herstellung der Bogenzusammensetzungen für das Stanzen zu Formungen nach dem Verfahren der Erfindung verwendet werden können, sind bei-
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spielsweise die verschiedenen thermoplastischen Materialien, die normalerweise beim Spritzgußformen, beim Extrudieren, beim Vakuumformen, beim Blasformen, beim Fadenspinnen oder bei ähnlichen Verarbeitungsmethoden für Thermoplasten verwendet werden können.
Geeignete thermoplastische Harzmaterialien, die zur Herstellung des Laminates nach der Erfindung benutzt werden können, sind beispielsweise die alkeny!aromatischen Harze, wie Polystyrol, Styrolmischpolymere, Gemische und Pfropfmischpolymere von Styrol und Kautschuk und dergleichen. Die Erfindung kann unter Verwendung von Polyvinylchlorid oder Vinylidenchloridmischpolymeren (Saranen) durchgeführt werden.
Besonders geeignete Thermoplasten in solchen Massen sind die Polyamide, d.h. Polymere mit regelmäßig sich wiederholenden Amidgruppen als integraler Teil der Polymerhauptkette. Polyamide, wie Nylon 6,6 (ein Kondensationsprodukt von Hexamethylendiamin und Adipinsäure) und Nylon 6 (das Polymerisationsprodukt von E-Aminocapronsäure oder £-Caprolactam) sind Beispiele zweier Polyamide oder Nylonarten.
Auch können Polyolefine verwendet werden, wie Polyäthylen, Polypropylen, Polymethylpenten und Mischpolymere derselben.
Weitere Polymere, die benutzt werden können, sind beispielsweise Polyurethanharze, Polysulfonharze, Polycarbonathdfi?ze und lineare Polyesterharze, wie Polyalkylenterephthalat und Polybutylenterephthalat, Celluloseesterharze, wie Celluloseacetat und Cellulosepropionat, halogenierte Olefine und Polyacetalharze.
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Der Begriff "Polymer" schließt auch Gemische oder Mischpolymere zweier oder mehrerer Polymermaterialien ein. Beispiele solcher Polymere sind Polyäthylen/Polypropylen, Äthylen-Acrylsäure-Vinylacetat-Terpolymere und dergleichen.
Die zur Herstellung der Glasfasermatte verwendeten Glasfasern werden vorzugsweise in der Form von Glasfasern oder Strängen oder Bündeln verwendet, die wenigtens etwa 3,8 cm (1 1/2 Zoll) zusammenhängender Länge besitzen. Das Glas kann in der Form von Fäden, Strängen, Garnen, Roving, nichtgewebten Vliesen, Gewebe und dergleichen verwendet werden. Die Stränge oder Fäden, die die Verstärkungsmatte bilden, werden entweder durch harzartige haftende Bindemittel (hitzehärtbare oder thermoplastische Harze) oder durch "Nadeln" oder durch mechanische Wechselwirkung der willkürlich gemusterten streifenartigen Struktur zusammengehalten.
Die einzelnen Glasstränge in der Matte umfassen etwa 2 bis 400, vorzugsweise 5 bis 120 Fäden je Strang. Jeder Faden besitzt einen Durchmesser von etwa 0,00030 bis etwa 0,001 inch, vorzugsweise von 0,00035 bis 0,00085 inch. Die Glasmatte, die die Verstärkungsphase darstellt, kann ein Gewicht von O,3 bis 10 Unzen/Quadratfuß haben.
Die Glasmatte ist leicht von anderen Formen von Faserverstärkungen unterscheidbar wegen der willkürlichen, streifenartigen oder wirbelartigen Anordnung der Fasern oder Fäden. Die Glasmatte ist auch leicht von der Verstärkung mit kurzen zerschnittenen Fasern Unterscheidbar, die einen dritten wesentlichen Aspekt des zusammengesetzten Bogens ausmachen.
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Die kurze Glasfaserverstärkung der dritten Phase besitzt eine Länge von wenigstens etwa 0,25 mm (0,01 inch). Diese kurzen Längen der Faserverstärkung erhält man wegen der Eigenschaften der Vararbextungstemperatur, die verwendet wird, um diese Verstärkung mit dem thermoplastischen Harz zu vermischen. Wenn beispielsweise Fasern von 3 mm (1/8 inch) oder länger in den Beschickungstrichter eines Extruders mit einer einzigen Schnecke zusammen mit dem Harz gegeben werden, werden die Fasern gewöhnlich auf kürzere Längen als die ursprüngliche Ausgangslänge von 3 mm (1/8 inch) durch Abrieb, Scherkräfte, Turbulenz und mechanische Arbeit, die auf die Fasern einwirken, zerbrochen. Längere Längen (beispielsweise mittlere Längen größer als 0,25 mm /Ό,01 inch/ in einem größeren Teil der kurzen Faserverstärkung) können beibehalten werden, indem man die Scherkräfte oder mechanischen, die Faserlänge brechenden Einflüsse auf einem Minimum hält und dabei etwas von der Homogenität opfert oder die Verarbeitungszeiten verlängert, obwohl Längen größer als 19 mm (3/4 inch) nicht für die Erfindung erwünscht sind, da sie zu Rippen und dergleichen zusammenfließen müssen. Eine andere Bearbeitungsmaschine, die verwendet werden kann, um den mit kurzen Fasern gefüllten Harzbogen zu mischen und/oder herzustellen, ist ein Doppelschneckenextruder. In diesem Fall kann das verstärkende Fadenmaterial dem Spalt für das durch Rühren des durch Hitze plastifizierten Polymers zwischen den Schnecken durch eine Beschickungsöffnung, wie eine Belüftungsöffnung, zugesetzt werden. Im letzteren Fall kann das verstärkende Fadenmaterial dem Doppelschneckenextruder in der Form von Garn oder Roving zugeführt werden, und die kurzen Faserlängen
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würde man dann durch mechanisches Brechen infolge der Mischwirkung der Schnecken erhalten.
Glasfasern, die normalerweise für die Verstärkung von Thermoplasten verwendet werden,' können mit einem Oberflächenbehandlungsmittel behandelt oder beschichtet werden. Standardoberflächenbehandlungsmittel bestehen gewöhnlich aus mehreren Komponenten, von denen jede eine bestimmte Funktion besitzt. Beispielsweise gibt ein Bindemittel oder Filmbildner dem Glasfaserstrang Unverletzlichkeit für die Verarbeitung und verhindert ein Zerfasern und unterstützt die Verteilung des Oberflächenbehandlungsmittels. Ein Schmiermittel verhindert die Zerstörung des Stranges durch Abrieb der einzelnen Fäden gegeneinander und gegen die BehändlungSeinrichtungen. Ein Kupplungsmittel unterstützt einen größeren Abrieb zwischen den Glasfasern und dem Polymerharz und führt somit zu besserer Festigkeit. Ein Emulgier— oder Dispergiermittel gestattet eine ausreichende Auflösung der verschiedenen Bestandteile in dem erforderlichen Trägermittel (häufig Wasser) und verbessert die Verträglichkeit zwischen den verschiedenen Bestandteilen. Außerdem werden oftmals pH-Einstellmittel/ antistatische Mittel, Netzmittel und oberflächenaktive Stoffe zu den Oberflächenbehandlungsmitteln zugesetzt. Gewöhnlich können siliciumorganische Verbindungen zweckmäßig als Kupplungsmittel verwendet werden. Beispielsweise sind für diesen Zweck halogenierte oder nichthalogenierte vinylhaltige und alkylhaltige, Alkylalkoxy-, Alkenyl-, Aminoalkyl-, Aminoalkoxy-, Acyloxy^-, Alkenylacyloxy- und ähnliche Silane, ihre Hydrolyseprodukte und Polymere dieser Hydrolyseprodukte geeignet. Zusammensetzungen dieser Art und Methoden für die Verwendung sind dem Fachmann bekannt.
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Der vierte Bestandteil des verbesserten thermoplastischen Bogenmaterials, das hier beschrieben wird, ist ein feinteiliger Füllstoff. Solche Füllstoffe können aus einer Vielzahl von Mineralien, Metallen, Metalloxiden, kieselsäurehaltigen Materialien, Metallsalzen und Gemischen derselben ausgewählt werden. Diese Füllstoffe können gegebenenfalls mit verschiedenen Kupplungsmitteln oder die Haftung fördernden Mitteln behandelt werden, wie dem Fachmann bekannt ist. Vorteilhafte physikalische Eigenschaften erreicht man, wenn das Füllstoffmaterial einen Young-Modul von 10 psi oder mehr und wenigstens einen Young-Modul zweimal so groß wie der des Polyamids besitzt. Beispiele von Füllstoffen in diesen Kategorien sind Tonerde, Aluminiumhydrate, Feldspat, Asbest, Talkum, Calciumcarbonate, Ton, Ruß, Quarz, Novaculit und andere Kieselsäureformen, Kaolinit, Bentonit, Granat, Glimmer, Saponit, Beide1-lit. Calciumoxid, Calciumhydroxid usw. Die oben erwähnten Füllstoffe sind nur Beispiele und dienen nicht der Beschränkung des Erfindungsgedankens bezüglich der Füllstoffe, die verwendet werden können. Die Haftung fördernde Mittel oder Kupplungsmittel können natürlich auch auf der feinteiligen Füllstoffphase eingesetzt werden.
Der feinteilige Füllstoff kann dem geschmolzenen thermoplastischen Harz vor, während oder nach der Zugabe der kurzen Glasfasern zu dem Harz zugesetzt werden. So können beispielsweise Füllstoff und Harzpellets dem Beschickungstrichter eines Einschneckenextruders zugeführt werden. Das Gemisch wird dann vermengt und zu dem Mundstück hin befördert. Kurze Glasfasern können zu dem geschmolzenen Gemisch an einer Entlüftungs-
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öffnung oder einer -anderen abstromwärts von dem Beschickungstrichter gelegenen öffnung zugesetzt werden, und das Gemisch wird dann zu Pellets extrudiert oder vorzugsweise direkt zu einem Bogen der geeigneten Dicke für eine Laminierung mit der Glasmattenverstärkung extrudiert. Bei dem Extrudierverfahren werden die kurzen Fasern willkürlich in der Ebene des extrudierten Bogens orientiert.
Andere kleinere Zusatzstoffmengen, die von Wert für die Bogenrezepturen sein können, sind beispielsweise antistatische Mittel, Weichmacher, Schmiermittel, Hitze- und Lichtstabilisatoren oder andere ähnliche Verfahrenshilfsmittel und Zusatzstoffe.
Jeder dieser vier Hauptbestandteile übt eine spezielle Funktion in dem zusammengesetzten Material aus. Das thermoplastische Harz ist natürlich das Grundmaterial, das die anderen Bestandteile miteinander verbindet. Als das Grundmaterial beeinflußt das Harz die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des zusammengesetzten Bogens. Wenn beispielsweise ein gestanztes Produkt mit einer extrem hohen Hitzebeständigkeit erforderlich ist, würde ein Nylon oder linearer Polyester als Grundmaterial verwendet werden, und nicht ein Polyäthylen oder Polypropylen. Wenn beispielsweise eine extrem hohe Schlagfestigkeit erforderlich ist, kann ein schlagfestes Styrolmischpolymer oder ein Polycarbonat eher als Polystyrol oder ein brüchigerer linearer Polyester verwendet werden.
Obwohl auch Zusammensetzungen ohne Füllstoff gebildet werden können, enthalten die am meisten erwünschten Bögen Füllstoffe.
Die Funktionen der feinteiligen Füllstoffe bestehen darin, daß sie den Modul und die Steifheit des zusammengesetzten Bogens
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erhöhen und außerdem eine wirtschaftlichere Zusammensetzung bilden.
Die Funktionen der kurzen Faserverstärkung bestehen darin, daß sie die Bogensteifheit und die mechanische Festigkeit erhöht, daß sie die Schmelzvisko^ität der Harzfaser erhöht, daß sie den niedrigen Gehalt an relativ langer Glasmattenverstärkung kompensiert, daß sie ein Fließen des verstärkten Kunststoffgemisches in kleine Löcher, Buckel, Rippen, Öffnungen usw. während des Stanzens gestattet und daß sie eine verbesserte Oberfläche ergibt, in welcher die meisten kurzen dispergierten Fasern orientiert sind und in der Ebene des Bogens liegen. Das verbesserte Fließen in kleine Öffnungen, Buckel, Rippen usw. verhindert eine Trennung von Fasern und Harz, eine Ungleichmäßigkeit infolge einer Brückenbildung und verbessert die Formbarkeit komplexer gestanzter Teile. Außer der Fähigkeit, relativ schmale verstärkte Rippen, Buckel oder ähnliche Abschnitte zu bilden, was auf das Fließen kurzer Fasern in solche Abschnitte zurückzuführen ist, unterstützt auch die hohe Schmelzviskosität des Gemisches von Harz, Füllstoff und kurzen Fasern die Förderung der Gleichförmigkeit der Eigenschaften. Wegen der allgemein verbesserten Formbarkeit der vorliegenden Zusammensetzungen können außerdem auch längere, dünnere und komplexere Teile geformt werden als bisher.
Die kurzen Fasern, die parallel zu der Ebene des Bogens orientiert sind (im Unterschied zu senkrecht zu der Bogenebene orientierten Fasern), führen zu einer glatten Oberfläche, die frei von Teilen der Glasmatten und herausstehenden Faserenden ist.
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Die vorliegende Erfindung ist in dem folgenden Beispiel weiter erläutert.
Das Formen des Bogens erfolgte in einer Tiefziehpresse, die einen polierten Preßwerkzeugsatz aus Stahl besaß, um zylindrische Becher mit einem Durchmesser von 13 cm zu produzieren. Die Temperatur des polierten Werkzeugsatzes aus Stahl wurde mit Hilfe elektrischer Hexzeinrichtungen eingestellt und auf etwa 140° C gehalten. Die verwendeten Stahlformen waren hochpoliert und verchromt (verspiegelt).
Der vorerhitzte Bogen wurde zu einer Stanzpresse überführt unter einem Druck von 800 psi während 10 Sekunden gestanzt. Das gestanzte Teil wurde auf Raumtemperatur abgekühlt, 24 Stunden auf Raumtemperatur gehalten, und der flache Boden des Bechers wurde dann für den Test der Oberflächenrauhheit herausgeschnitten.
Beispiel
Nylon-6-Harz wurde mit 25 % kurzen Glasfasern und 15 % Kaolin in dem Extruder 11 vermischt und zu-einem Bogen 13 extrudiert. Ein Bogen 15 ähnlicher Zusammensetzung wurde mit dem Extruder 16 extrudiert. Beide wurden mit der Glasmatte 23 und dem geschmolzenen Bogen 20 bei dem Spalt der Laminierwalzen 21a und 21b zusammengebracht. Die Matte 23 wurde mit dem Bogen 20 durch Hineinpressen in diesen imprägniert und bildete dabei einen mittleren Verstarkungsbogen, der 75 % Nylon und 25 % Glasmatte umfaßte. Die resultierende Sandwichstruktur wurde in dem Spalt der Walzen 21a, 21b und auf den Walzen 29a, 29a laminiert und nachbehandelt. Der resultierende Bogen wurde zu Rohlingen zerschnitten und gelagert.
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Claims (5)

  1. Patentansprüche
    ί 1. !"Thermoplastischer laminierter Bogen, dadurch gekennzeichnet, ^-"'daß er in Gewichtsprozenten, jeweils auf das Gewicht der betreffenden Schicht bezogen, a) wenigstens eine Schicht aus etwa 40 bis 70 % eines synthetischen thermoplastischen Polymers, etwa 0 bis 50 % eines feinteiligen Füllstoffes und 0 bis 35 % kurzen Glasfasern, die allgemein parallel zu der Ebene der Bogenoberflache angeordnet sind, und b) eine hieran angrenzende Verstärkungsschicht aus 60 bis 95 % synthetischem thermoplastischem Polymer, einer langen Glasfasermatte mit einem Gewicht im Bereich von 5 bis 40 % und feinteiligen Füllstoffen im Bereich von 0 bis 40 % umfaßt, wobei die Glasfasermatte im wesentlichen in einem Grundmaterial des thermoplastischen Polymers eingekapselt ist und die Verstärkungsschicht im wesentlichen frei von kurzen Glasfasern ist.
  2. 2. Laminierter Bogen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Schicht 45 bis 65 % Polymer, 10 bis 30 % Füllstoff und 5 bis 25 % kurze Glasfasern und die Verstärkungsschicht 60 bis 85 % Polymer und 15 bis 45 % Glasmatten enthält.
  3. 3. Laminierter Bogen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine dritte Schicht mit der Zusammensetzung der ersten Schicht aufweist, wobei die erste Schicht und die dritte Schicht sandwichartig die Verstärkungsschicht einschließen.
  4. 4. Verfahren zur Herstellung von laminierten Bögen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man
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    a) eine erste Bogenschicht aus etwa 40 bis 70 % thermoplastischem Harz, etwa 0 bis 50 % feinteiligem Füllstoff und 0 bis 35 % kurzen Glasfasern, die in einer Ebene allgemein parallel zu der Bogenoberfläche angeordnet sind, vermischt und extrudiert,
    b) diese Schicht in einem polierten und auf bestimmten Abstand kalibrierten Walzensatz poliert,
    c) eine zweite Bogenschicht aus etwa 60 bis 95 % synthetischem thermoplastischem Harz und 0 bis 40 % feinteiligem Füllstoff, die aber im wesentlichen frei von Glasfasern ist, vermischt und extrudiert und
    d) den ersten Bogen, den zweiten Bogen und eine lange Glasfasermatte in den Spalt eines Laminierwalzensatzes einführt, während das Harz des zweiten Bogens sich noch in einem geschmolzenen Zustand befindet, wobei der Abstand zwischen den Walzen wesentlich geringer als die Dicke der Bögen und der Glasfasermatte zusammen, die dem Walzenspalte zugeführt werden, ist, und man die lange Glasfasermatte von dem zweiten Bogen durchdringen läßt und den ersten und zweiten Bogen darauf unter Bildung eines glatten LichtstoffProduktes laminiert .
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Laminierwalzen noch einen dritten Bogen mit einer Zusammensetzung in den Bereichen des ersten Bogens unter Ausbildung einer Sandwichstruktur zuführt und den zweiten Bogen zwischen dem ersten und dritten Bogen laminiert.
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