DE3027655C2

DE3027655C2 -

Info

Publication number: DE3027655C2
Application number: DE3027655A
Authority: DE
Inventors: Herbert 7140 Ludwigsburg De Schreiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1980-07-22
Publication date: 1991-07-18
Also published as: CH644879A5; DE3027655A1

Description

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffgegenstände aus Pregregs durch Vakuumformung sowie Prepregs zur Durch führung des Verfahrens.

Prepregs aus härtbaren Harzen imprägnierten Fasermatten wurden bisher durch Verpressen in geheizten Formen verarbeitet. Dieses Verfahren hat verschiedene Nachteile. Einmal sind die Formen wegen der erforderlichen Übereinstimmung von Matrize und Patrize außerordentlich teuer. Zum anderen kann eine Mindestdicke des Zwischen raumes 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 Vakuum formung, die bereits bei thermoplastischen Kunststoffen in großem Umfang angewandt wird, wird das Prepreg über eine einseitig offene Form gelegt und am Rand der Form luft dicht angepreßt. Durch Anlegen eines Vakuums zwischen Form und Prepreg schmiegt sich 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 Druckunterschiede bewirkt wird.

Optimale Qualitäten der geformten Gegenstände lassen sich erzielen, wenn auch die Bedingungen der Ansprüche 2 und 3 eingehalten werden.

Das Verfahren gestaltet sich besonders vorteilhaft, weil ein strahlenhärtbares Material verwendet wird. Hierdurch läßt sich eine sehr rasche und energiesparende Härtung erreichen. Außerdem ist es möglich, bestimmte Flächen durch Abschirmung von der Härtung auszuschließen, 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 satoren erreichen, während Härtbarkeit durch Elektronenstrahlen bei vielen Harzen schon von Natur aus gegeben ist.

Bei der Verwendung UV- und lichthärtbarer Harze sind für die Strahlung durchlässige 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.-% 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, t, B. eine niedrigkristalline Polyolefinfolie.

Eine sehr nützliche Variation des Verfahrens besteht in der Verwendung einer Deck folie, auf der das gehärtete Harz so fest haftet, daß sie als Deckschicht auf dem Fertigteil verbleiben kann. Besonders hochwertige Teile erhält man, wenn als Deck folie 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 allge meinen eine thermische Härtung dieser Schicht erforderlich. Diese kann während oder anschließend an die Lichthärtung erfolgen, gegebenenfalls auch erst nach der Ent formung.

Beispiele Beispiel 1

Ein Prepreg wird aus einer gleichmäßigen Aufschüttung von 450 g/m² Glasfasern von 13 mm Länge durch Imprägnieren mit 1340 g/m² styrolhaltigem UP-Harz zwischen zwei dünnen Weichpolyäthylenfolien oder Polyvinylidenchloridfolien hergestellt. Das UP-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 10 Pas, gemessen mit einem Brockfieldviskosimeter, Spindel 7, 10 bis 100 Umdrehungen pro Minute. Das nicht verdickte Harz hat eine Viskosität von 0,6 Pas.

Die Prepreg wird über eine Matrize gelegt, am Rand angepreßt und durch Anlegen von Vakuum durch Bohrungen in der Matrize in die Form hineingesaugt. Der Formvor gang 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 werden kann. Die PE-Folie kann nach der Härtung mühelos abgezogen werden. Infolge der relativ 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 aber auf Formteile mit Krümmungsradien von minimalen 15 mm beschränkt.

Beispiel 2

Ein Prepreg wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt und verarbeitet. Dem UP-Harz werden jedoch diesmal 6,7% Celluloseester beigemischt, ent sprechend einer Viskosität von 480 Pas, gemessen mit Brookfield, Spindel 7, 0,5 Umdrehungen pro Minute. Dieses Prepreg läßt sich ohne Schwierig keiten 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 Überlegenheit des Prepregs mit der höheren Harzviskosität.

Beispiel 3

Ein Prepreg wird wie in Beispiel 1 hergestellt und verarbeitet, jedoch mit 11,8% Celluloseester. Dem entspricht die Harzviskosität von 4500 Pas, gemessen mit Brookfield, Spindel 7, 0,5 Umdrehungen pro Minute. Auch dieses Prepreg läßt sich sehr gut vakuumformen. Der kleinste formgetreu nach bildbare Krümmungsradius beträgt 5 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.

Beispiel 5

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 Dioctylphthalat und 50 Teile Trimethylolpropan trimethacrylat und 1 Teil Benzoylperoxyd. Nach der Photohärtung und Entformung wird der Formteil nach 20 Minuten bei 100°C nachgehärtet. Während sich die PE-Folie leicht abziehen läßt, bildet die PVC- Folie einen glatten, sehr kratzfesten, gut haftenden Überzug.

Vergleichsbeispiel

Ein Prepreg wird wie in Beispiel 2 hergestellt und verarbeitet, jedoch aus einer Glasfasermatte mit 50 mm langen Fasern. Die Verformbarkeit ist 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 wesentlich größer.

Die Viskositätsangaben in den Ansprüchen 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, sowie, falls vorhanden, mit Ausnahme der Feinschicht, zu verstehen. Im Allgemeinen sind dies die Mischungen bzw. Lösungen des flüssigen härtbaren Harzes mit dem Verdickungsmittel und weiteren Zuschlagstoffen wie Thixotropierungs mitteln, 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 wie 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 sie sich in bekannter Weise aus der Steigung der Schubspannungs-Schergeschwindigkeits-Kurve oberhalb der Fließgrenze ergibt. Die obere Grenze der Viskositäten der für das Verfahren verwendbaren Harzmischungen ist meßtechnisch schwer erfaßbar und dürfte oberhalb 10⁵ Pas liegen. Auf jeden Fall müssen die Harzmischungen bei der Verformungstemperatur nicht fest, sondern fließfähig sein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffgegenstände durch Verformung von Pregregs aus mit härtbaren Harzen imprägnierten Fasermatten, wobei die Viskosität der Gesamtheit der im Prepreg enthaltenen fließfähigen Stoffe, einschließlich etwaiger Füllstoffe, jedoch in Abwesenheit der Verstärkungsfasern, gemessen bei Verformungtemperatur und niedriger Schergeschwindigkeit, mindestens 10 Pa · s beträgt und die Länge der einzelnen Verstärkungsfasern 2 bis weniger als 50 mm ist, wobei die Prepregs mindestens einseitig mit einer dünnen, flexiblen Folie bedeckt sind und durch Vakuumformung oder mittels einseitig wirkenden Luftdrucks eng an eine einseitig offene Form angepreßt und dann mittels Elektronenstrahlen, UV- oder sichtbarem Licht gehärtet werden, und wobei die Prepregs ein mittleres dieser Strahlung härtbares Harz enthalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität mindestens 100 Pa · s beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Verstärkungsfasern 4 bis 30 mm beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prepreg beidseitig mit einer dünnen, flexiblen Folie bedeckt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich nicht mit dem härtbaren Harz verbindende Folie verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Weich-Polyolefinfolie verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich bei der Härtung mit dem gehärteten Harz verbindende Folie verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein härtbares Monomer enthaltende PVC- oder VC- Copolymer-Folie verwendet wird, die entweder durch die Bestrahlung oder durch eine zusätzliche Wärmebehandlung gehärtet wird, wobei im letzteren Fall die auf der der Form zugewandten Seite befindliche Folie eingefärbt sein kann.

9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der der Form zugewandten Seite unter der Deckfolie eine gegebenenfalls eingefärbte und wärmehärtbare Feinschicht befindet, die durch eine gegebenenfalls zusätzliche Wärmebehandlung gehärtet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Harz ein ungesättigter Polyester oder ein ungesättigtes Polyurethan, bevorzugt als Lösung in einem polymerisierbaren Monomeren, insbesondere in Styrol, enthalten ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich niedriger viskoses Harz durch Auflösen eines Polymeren auf die Viskosität von mindestens 10 Pa · s beziehungsweise 100 Pa · s verdickt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Harz ein styrolhaltiges UP-Harz und als Polymeres ein in diesem löslicher Celluloseester, insbesondere ein Cellulose-aceto-butyrat, enthalten ist.

13. Prepreg zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mit härtbaren Harzen imprägnierten Verstärkungsfasern besteht, wobei die Viskosität der Gesamtheit der im Prepreg enthaltenen fließfähigen Stoffe, einschließlich etwaiger Füllstoffe, jedoch in Abwesenheit der Verstärkungsfasern, gemessen bei niedriger Schergeschwindigkeit mindestens 10 Pa · s und bevorzugt mindestens 100 Pa · s beträgt, die Länge der einzelnen Verstärkungsfasern 2 bis weniger als 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.

14. Prepreg gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer ein härtbares Monomer enthaltenden PVC- oder VC-Copolymer-Folie bedeckt ist, wobei eine der Deckfolien lichtabsorbierend eingefärbt sein kann.

15. Prepreg gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, 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.