DE3027655A1 - Verfahren zur herstellung faserverstaerkter kunststoffgegenstaende - Google Patents

Verfahren zur herstellung faserverstaerkter kunststoffgegenstaende

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Description

Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffgegenstände
Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffgegenstände aus Prepregs durch Vakuumformung sowie Prepregs zur Durchführung des Verfahrens.
Prepregs aus mit härtbaren Harzen imprägnierten Fasermatten wurden bisher durch Verpressen in geheizten Formen verarbeitet. Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile. Einmal sind die Formen wegen der erforderlichen Uebereinstimmung von Matrize und Patrize ausserordentlich teuer. Zum andern kann eine Mindestdicke des Zwischenraumes und damit der Formteildicke nicht unterschritten werden, da andernfalls der Fluss des verstärkten Materials gestört wäre. Aus diesem Grund konnte zum Beispiel bei Fahrzeugteilen die mit faserverstärkten Kunststoffteilen an sich erzielbare Gewichtseinsparung nicht in vollem Umfang realisiert werden und ihre Anwendung blieb auf dickwandige Teile beschränkt„
Es wurde nun gefunden, dass sich Prepregs durch Vakuumformung gemäss Anspruch 1 verarbeiten lassen, wobei die genannten Nachteile vermieden werden. Bei der Vakuumformung, die bereits bei thermoplastischen Kunststoffen in grossem Umfang angewandt
offene,
wird, wird das Prepreg über eine einseitig t ForEJgelegt und am Rand der Form luftdicht angepresst. Durch Anlegen eines Vakuums zwischen Form und Prepreg schmiegt sieh dieses eng an die Form an und kann dann gehärtet werden. Der Vakuumformung gleichzusetzen ist jedes Verfahren,, bei dem die Verformung durch pneumatische, unmittelbar auf das Prepreg einwirkende Druckunterschieae bewirkt wird.
Optimale Qualitäten der geformten Gegenstände lassen sich erzielen, wenn auch die Bedingungen def" Ansprüche 2 und 3 eingehalten werden.
Das Verfeinden gestaltet sich besonders vorteilhaft^ wenn ein strahlenhärtbares Material verwendet wird. Hierdurch lässt sich eine sehr rasche und energiesparende Bärtuag erreichen. Ausserdem ist es möglich , bestimmte Flächen durch Abschirmung von der Härtung auszusehliessen, so z. B. die Linien, an denen das Werkstück bei der Weiterverarbeitung abgeschnitten werden muss, UV- und Lichthärtung lässt sich bei polymerisierbaren Harzen im allgemeinen durch Zusatz entsprechender Sensibili-
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satoren erreichen, während Härtbarkeit durch Elektronenstrahlen bei vielen Harzen schon von Natur aus gegeben ist.
\für die Strahlung Bei der Verwendung UV- und lichthärtbarer Harze sindfdurchlässige-Verstärkungsfasern zu verwenden. Hierfür eignen sich z. B. Glas-, Quarz- und synthetische Fasern. Der Faseranteil bewegt sich in den üblichen Grenzen von etwa 10 bis 50 Gew.$ Glasfasern. / Eine besonders einfache Handhabung des Verfahrens ergibt sich, wenn das Prepreg beidseitig mit einer dünnen, leicht reckbaren Folie eingehüllt ist. Hierbei kann eine Folie verwendet werden, die von dem gehärteten Formteil leicht abziehbar ist, z. B1. eine niedrigkristalline Polyolefinfolie.
Eine sehr nützliche Variation des Verfahrens besteht in der Verwendung einer Deekfolie, auf der das gehärtete Harz so fest haftet, dass sie als Deckschicht auf dem Fertigteil verbleiben kann. Besonders hochwertige Teile erhält man, wenn als Deckfolie eine PVC-Folie mit einem Gehalt an polymerisierbaren Monomeren . , z. B. mehrfunktionellen Methacrylestern, verwendet wird . Nach diesem Verfahren lassen sich auch dekorativ gefärbte Oberflächen erzielen, die lichtundurchlässig sind. Eine dekorativ gefärbte Feinschicht kann aber auch als Bestandteil des Prepregs unterhalb einer abziehbaren Folie eingebaut werden. In beiden Fällen ist im allgemeinen eine thermische Härtung dieser Schicht erforderlich. Diese kann während oder anschliessend an die Lichthärtung erfolgen, gegebenenfalls auch erst nach der Entformung.
Beispiele:
Beispiel 1
Ein Prepreg wird aus einer gleichmässigen Aufschüttung von 450 g/m Glasfasern von 13 mm Länge durch Imprägnieren mit 1340 g/m styrolhaltigem TJP-Harz zwischen zwei
oder Polwinvlidenchloridf olien / dünnen Weichpolyäthylenfolien/nergestellt. Das DP-Harz enthält 1,5 $ eines UV-Sensibilisators. Ausserdem werden dem UP-Harz unmittelbar vor der Imprägnierung 2,6 $ eines pulverförmigen Cellulose-aceto-butyrats beigemischt. Diesselbe Mischung ergibt in Abwesenheit der Glasfasern nach vollständiger Lösung des Celluloseesters eine Viskosität von 100 Poise ( = 10 Nsm )f gemessen mit einem Brookfieldviskosimeter, Spindel 7, 10 bis 100 Umdrehungen pro Minute. Das nicht verdickte Harz hat eine Viskosität von 6 Poise (=0,6 Nsm ).
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Das Prepreg wird über eine Matrize gelegt, am Rand angepresst und durch Anlegen von Vakuum durch Bohrungen in der Matrize in die Form hineingesaugt. Der Formvorgang ist in wenigen Sekunden beendet. Danach wird der Formteil mit UV-Licht bestrahlt. Die Härtung ist, je nach Intensität der Lichtquelle, in 1 bis 10 Minuten beendet, wonach der Formteil entnommen worden kann. Die PE-Folie kann nach der Härtung mühelos abgezogen werden. Infolge der relai|fcy niedrigen Viskosität tritt bei diesem Prepreg ein Fliessen des Harzes zu den stärker gereckten Stellen ein und führt dort zu starken Harzanreicherungen. Die Anwendung dieses Prepregs ist daher auf Formteile mit Krümmungsradien von minimal 15 mm beschränkt.
Beispiel 2
Ein Prepreg wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und verarbeitet. Dem UP-Harz werden jedoch jedoch diesmal 6,7 $ Cellulose-ester beigemischt, entsrechend einer Viskosität von 4800 Poise ( = 480 Hsm ), gemessen mit Brookf ield, Spindel 7, 0,5 Umdrehungen pro Minute. Dieses Prepreg lässt sich ohne Schwierigkeiten auch in sehr stark gekrümmte Formteile einsaugen und bildet auch Krümmungen von unter 1 mm bei über 100 % Reckung absolut formgetreu nach. Das Beispiel zeigt die Ueberlegenheit des Prepregs mit der höheren Harzviskosität.
Beispiel 3
Ein Prepreg wird wie in Beispiel 1 hergestellt und verarbeitet, jedoch mit 11,8 % Cellulose-ester. Dem entspricht die Harzviskosität von 45 000 Poise ( = 4500 Nsm ), gemessen mit Brookfield, Spindel 7, 0,5 Umdrehungen pro Minute. Auch dieses Prepreg lässt sich sehr gut vakuumformen. Der kleinste formgetreu nachbildbare Krümmungsradius beträgt § mm an engen,und 2,5 mm an weiten Stellen.
Beispiel 4
Ein Prepreg wird wie in Beispiel 2 hergestellt und verarbeitet, jedoch werden 30 mm lange Glasfasern verwendet. Die Verformbarkeit ist etwas schlechter als in Beispiel 2. Der kleinstmögliche Krümmungsradius beträgt 6 mm an engen und 2,5 mm an weiten Stellen,
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Beispiel 5
Ein Prepreg wird wie in Beispiel 2 hergestellt und verarbeitet, jedoch aus einer Glasfaermatte mit 50 mm langen Fasern. Die Verformbarkeit ist noch gut, aber deutlich schlechter als in Beispiel 2. Auch an weiten Stellen werden nur noch Krümmungsradien von mindestens 6 mm formgetreu nachgebildet» Insbesondere ist aber bei diesem Prepreg der Harzfluss wieder wesentlich grosser.
Beispiel 6
Ein Prepreg wird wie in Beispiel 2 hergestellt und verarbeitet. Das Prepreg ist jedoch auf der der Matrize zugewandten Seite mit einer Weich-PVC-Folie abgedeckt. Diese enthält auf 100 Teile PVC 50 Teile DOP und 50 Teile Trimethylolpropan-rtrimethacrylat und 1 Teil Benzoylperoxyd. Nach der Photohärtung und Entformung wird der Formteil noch 20 Minuten bei 100 C nachgehärtet. Während sich die PE-Folie leicht abziehen lässt, bildet die PVC-Folie einen glatten, sehr kratzfesten, gut haftenden Ueberzug.
Die Viskositätsangaben in den Patentansprüchen und in der Beschreibung beziehen sich auf die Gesamtheit der fliessfähigen Stoffe in den Prepregs. Als Gesamtheit der fliessfähigen Stoffe ist hierbei die Mischung aller Bestandteile eines Prepregs mit Ausnahme der Verstärkungsfasern und Deckfolien 3OE£XK£S&ok&a, sowie, falls vorhanden, mit Ausnahme der Feinschicht, zu verstehen. Im Allgemeinen sind dies die Mischungen bezw. Lösungen des flüssigen härtbaren Harzes mit dem Verdickungsmittel und weiteren Zuschlagstoffen wie Thisotropierungsmitteln, Sensibilisatoren, Beschleunigern, Stabilisatoren, Farbstoffen und gegebenenfalls auch festen Füllstoffen, soweit diese mit dem Harz eine fliessfähige Mischung bilden» Als Füllstoffe sind auch feinteilige feste Zuschlagstoffe mit faseriger Struktur wi© Zellulose, Asbestmehl oder gemahlene Glasfasern zu betrachten, soweit diese mit dem Harz eine fliessfähige Mischung bilden.
Bei plastisch fliessenden Mischungen, die eine Fliessgrenze aufweisen, beziehen sich die Viskositätsangaben auf die echte Viskosität, wie eis sich in bekannter Weise aus der Steigung der Scbubspannungs-Schergeschwinügksits-Kurve oberhalb der Flieasgrenze ergibt. Die obere Grenze der Viskositäten ü%r. für das Verfahren verwendbaren Harsaiaehungen ist aesstechnisch schwer erfassbar und dürfte oberhalb lo6 Poise ( 1O^ Haar2 ) liogan«, Auf jeden Fall müssen die Harzmisehungen bei der Verformungstenipemtur nicht fest, sondern fiiessfähig sein.
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Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffgegenstände
    j h;■--,■'?■.'■ η.:iC-htj
    Patentansprüche L.,-,-·*- -· ««-*K-~i
    Ij Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunstoffgegenständi aurcn Verformung von Prepregs aus mit härfbaren Harzen imprägnierten Fasermatten, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepregs dureh Vakuumformung oder mittels einseitig wirkenden Luftdrucks eng an eine einseitig offene Form angepresst und dann gehärtet werden, wobei die Viskosität der Gesamtheit der im Prepreg enthaltenen fliessfähigen Stoffe, einschliesslich etwaiger Füllstoffe, jedoch in Abwesenheit der Verstärkungsfasern, gemessen bei der Verformungstemperatur und niedriger Schergeschwindigkeit, mindestens 100 Poise (= 10 Nsm ) beträgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität mindestens 1000 Poise (= 100 Nsm" ) beträgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der einzelnen rerstärkungsfasern 2 bis 50, bevorzugt 4 bis 30 mm beträgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass das Prepreg ein mittels Elektronenstrahlen, UV- oder sichtbarem Licht härtbares Harz enthält und nach der Formung mittels dieser Strahlen gehärtet wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepreg mindestens einseitig, bevorzugt aber beidseitig mit einer dünnen, flexiblen Folie bedeckt ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich nicht mit dem härtbaren Harz verbindende Folie verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Weich-PolyolefinFolie verwendet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich bei der Härtung mit dem gehärteten Harz verbindende Folie verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dass eine ein härtbares Monomeres enthaltende PVC- oder VC-Copolymer-Folie verwendet wird, die entweder durch die Bestrahlung oder
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    durch eine zusätzliche Wärmebehandlung gehärtet wird, wobei im letzteren Fall die auf der der Form zugewandten Seite befindliche Folie eingefärbt sein kann.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der der Form zugewandten Seite unter der Deckfolie eine gegebenenfalls eingefärbte und warmhärtbare Feinschicht befindet, die durch eine gegebenenfalls zusätzliche Wärmebehandlung gehärtet wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Harz ein ungesättigter Polyester oder ein ungesättigtes Polyurethan, bevorzugt als Lösung in einem polymerisierbaren Monomeren, inbesondere in Styrol, enthalten ist.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein an sich niedriger viskoses Harz durch Auflösen eines Polymeren auf die Viskositat von mindestens 100 Poise ( = 10 Nsm ) beziehungsweise 1000 Poise (= 100 Hsm ) verdickt ist.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Harz ein styrolhaltiges HF-Harz und als Polymeres ein in diesem löslicher Celluloseester, insbesondere ein Cellulose-aceto-butyrat, enthalten ist.
  14. 14. Prepreg zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1, 2,3 oder
    mi-fc härtbaren Harzenj
    5, dadurch gekennzeichnet, dass es aus^imprägnierten Verstärkungsfasern besteht, Viskosität der/
    wobei die^Gesamtheit der im Prepreg enthaltenen fliessfähigen Stoffe, einschliesslich etwaiger Füllstoffe, jedoch in Abwesenheit der Verstärkungsfasern, gemessen bei niedriger Schergeschwindigkeit, mindestens 100 Poise ( = 10 Hsm \ und bevorzugt mindestens 1000 Poise ( = 100 !ims"2 ) beträgt, die Länge der einzelnen Verstärkungsfasern 2 bis 50 mm, bevorzugt 4 bis 30 mm beträgt, ein durch Elektronenstrahlen, UV- oder sichtbares Licht härtbares Harz enthalten ist und das Prepreg mindestens einseitig, bevorzugt aber beidseitig mit einer dünnen flexiblen Folie bedeckt ist.
    15ο Prepreg gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer ein härtbares Monomeres enthaltenden PVC- oder VC-Copolymer-Folie bedeckt ist, wobei eine der Deckfolien lichtabsorbierend eingefärbt sein kann.
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    16, Prepreg gemäss Anspruch 14 oder 15, dadurchlgekennzeichnet, dass es ein an sich niedriger viskoses, styrolhaltiges UP-Harz enthält, das durch Auflösen eines in diesem löslichen Celluloseesters, bevorzugt eines Cellulose-aceto-butyrats, verdickt ist.
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