DE3144781C2 - Verfahren zum Herstellen einer Verbundfolie für das Formen eines formstabilen Gegenstandes und deren Verwendung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Verbundfolie für das Formen eines formstabilen Gegenstandes und deren Verwendung

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Abstract

Das Verfahren zum Herstellen einer flexiblen, verstärkten Verbundfolie aus Kunststoff und Verstärkungsmaterialien, insbesondere Metallgeweben besteht darin, daß mindestens eine Gewebelage aus elektrisch leitfähigen Materialien beidseitig mit thermoplastischer Kunststoffolie belegt und unter Druck und Hitze vereinigt wird. Die Hitze wird dabei durch Hindurchleiten von Strom durch die Gewebelage oder durch deren induktiver Erwärmung erzeugt. Die Gewebelage ist in die neutrale Faser der Verbundfolie eingelagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundfolie für das Formen eines formstabilen Gegenstandes, bei dem mindestens ein Metallgewebe unter Anwendung von Wärme und Druck beidseitig mit thermoplastischer Kunststoffolie belegt wird.
Bei einem crerartigen bekannten Verfahren (DE-OS 27 55 970) wird ein Formteil zur Innenverkleidung von Fahrzeugen dadurch hergestellt, daß zwischen zwei Fiattenzuschnitle aus thermoplastischem Werkstoff ein Gewebezuschnitt eingebracht und durch warmes Walzen fixiert wird. Dieser Verbundwerkstoff wird anschließend mit Formgebungswerkzeugen zu dem Formteil verpreßt.
Den vorbekannten Verfahren haftet der Nachteil an, daß die Folie aus Kunststoff entweder als solche erst beim Einbringen der Verstärkungseinlage gebildet wird, wie das bei der DE-OS 20 01 101 oder dem bekannten glasfaserverstärkten Kunststoffen der Fall ist, oder aber, wie beim Gegenstand der DE-OS 27 55 970 durch nachträgliche Einwirkung von Hitze und/oder mit Hilfe von Klebstoffen, Hahvermittlern u. ä. ein mehr oder weniger ausreichender Verbund bewirkt wird, wobei häufig die optimalen Eigenschaften, sowohl des Kunststoffs als auch der Verstärkungsmaterialien nicht voll zum Tragen kommen, weil die Güte eines solchen verstärkten Verbundmaterials von der Güte des Verbundes bestimmt wird, oder bei Hitzeeinwirkung durch den gesamten Kunststoff hindurch, dessen Eigenschaften ebenfalls erheblich beeinträchtigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, fertig ausgebildete Kunststoffolien, die nach einem der üblichen Verfahren, wie Gießen, Blasen, Walzen, hergestellt sind, mit mindestens einem Metallgewebe fest zu einer Verbundfolie für das Formen eines formstabilen Gegenstandes zu verbinden, dabei die Eigenschaften dieser Kunststoffolien weitgehend zu erhalten und nicht ungünstig zu beeinflussen sowie Verbundfolie« zu schaffen, die ein ganz neues Eigenschaftsspektrum aufweisen und aufgrund dieses Eigenschaftsspektrums zu neuen technologischen Einsatz- und Verwendungsmöglichkeiten führen.
Diese Aufgabe v/ird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Erzeugen der Wärme derch Hitdurchleiten von Strom durch das Metallgewebe oder durch Induktionsstrom erfolgt, wobei das jeweils mittlere Metallgewebe beim Herstellen der flexibel ausgebildeten Verbundfolie in der neutralen Phase angeordnet wird.
Die Vereinigung der thermoplastischen Kunststoffolien mit dem Metallgewebe erfolgt bei einer Temperatur des Metallgewebes, die über der Schmelztemperatur der Kunststoffolien liegt, um im Bereich des Metallgewebes und der daran beidseitig angrenzenden Kunststoffolien zu einer innigen Verbindung zwischen Metallgewebe und den Kunststoffolien einerseits, aber andererseits durch die Maschen des Metallgewebes hindurch auch zwischen den beidseitigen Kunststoffolien zu führen. Unter gewissen Umständen ist eine Vereinigung auch schon unterhalb der Schmelztemperatur der Kunststoffolien möglich, insbesondere bei solchen Kunststoffen, die ein großes Erweichungs-Intervall haben, und bei Anwendung von verhältnismäßig hohem Druck. Zweckmäßig und in der Regel liegt die Temperatur des Metallgewebes jedoch wesentlich höher als der Schmelzpunkt der Kunststoffolien, bevorzugt mehr als 1000C über der Schmelztemperatur. Das ist darin begründet, daß die Kunststoffolien im wesentlichen kalt auf das heiße Metallgewebe treffen, diese dadurch abkühlen und dieser Temperaturverlust zusätzlich ausgeglichen werden muß. Dio Temperatur ist natürlich auch noch von weiteren Parametern abhängig, z. B. von der Kontaktzeit zwischen den Kunststoffolien und dem Metallgewebe. So steht dafür im diskontinuierlichen Verfahren meist ein verhältnismäßig langer Zeitraum zur Verfügung, im kontinuierliehen Verfahren, z. B. beim Hindurchführen durch Walzen, ist der innige Kontakt zwischen den Kunststoffolien und dem Metallgewebe im wesentlichen auf den Spalt beschränkt und es ist deshalb zweckmäßig, die Temperatur des Metallgewebes möglichst hoch zu wählen. Sie darf freilich nicht zu einer Schädigung des Kunststoffes führen. Für Folien aus Polyethylenterephthalat hat sich eine Temperatur des Metallgewebes von ca. 3800C als bevorzugt erwiesen, bei Folien aus Polyethylen eine solche von 3300C.
Für die Erhitzung der Kunststoffolie im Kontaktbereich mit dem Metallgewebe kommen zwei Verfahren in Betracht, nämlich das Hindurchleiten von elektrischem Strom durch das eingelagerte Metallgewebe, wobei die Stromstärke so gewählt wird, daß der Kunststoff erweicht und im Berührungsbereich schmilzt. Die aufzuwendenden Stromstärken lassen sich leicht durch einige orientierende Versuche ermitteln. Da unterschiedliche Metallgewebe für einen optimalen Verbund unterschiedliche Stromstärken erfordern, ist die Stromstärke vorteilhaft über einen Transformator veränderlich einstellbar.
Die andere Arbeitsweise zur Erzeugung der erforderlichen Hitze im Verbundbereich zwischen den Kunststoffolien und dem eingelagerten Metallgewebe besteht in der induktiven Erwärmung dieses Bereiches, wie sie durch Anlegen eines elektrischen Feldes erreicht wird. Diese Art der Erhitzung hat den Vorteil, daß sie ohne
direkte elektrische Zuleitung zum Metallgewebe auskommt. Sie empfiehlt sich besonders beim kontinuierlichen Verfahren, indem zweckmäßig die mit dem Metallgewebe zu vereinigenden Kunststoffolien zwischen zwei Magnetwalzen durchgeführt werden, von denen eine einen Wechselmagnet darstellt
Nach der DE-PS 5 99 919 ist bei Preßkörpern aus Kunstharzmassen, unter denen man zur damaligen Zeit härtbare Kunstharze auf Basis Phenol- bzw. Harnstoff-Formaldehyd verstand, bekannt, in diese Kunstharzmassen MetaHgewebe einzulagern, diese als ohmschen Widerstand oder als Leiter für elektrische Wirbelströme zu benutzen und damit die Massen von innen her zu heizen. Dieser über 50 Jahre alte Stand der Technik konnte aber keine Anregung geben, bei thermoplastischen Kunststoffen die Vereinigung von vorgefertigten flexiblen Kunststoffolien mit in die neutrale Faser eingelagertem MetaHgewebe durch Hindurchleiten von Strom oder Induktionsstrom zu einer Verbundfolie zu vereinigen, die sich zu formstabilen Gegenständen verformen läßt, und schon gar nicht zu der bevorzugten Maßnahme, diesen Effekt auch für die Verformung der so hergestellten Verbundfolie zu einem formstabilen Gebilde zu nutzen. Es wird jedoch kein Schutz für das Merkmal des Hindurchleitens des Stromes bzw. der induktiven Erwärmung als solcher beansprucht, sondern nur im Zusammenwirken mit den übrigen Merkmalen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den großen Vorteil, daß das MetaHgewebe, das neben guter elektrischer Leitfähigkeit auch eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, die Wärme sehr schnell und gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der miteinander zu verbindenden Kunststoffolien verteilt. Vorteilhaft ist weiter, daß die Erzeugung der für die Verbindung erforderlichen Wärme genau dort erfolgt, wo sie für den Verbund gebraucht und optimal genutzt wird. Da die Kunststoffolien nicht durch und durch erhitzt und aufgeschmolzen werden, bleiben ihre guten Eigenschaften andererseits weitgehend erhalten.
Die Erhitzungsdauer ist von einer ganzen Reihe von Faktoren, wie stoffliche Zusammensetzung und Maschenweite des eingelagerten Metallgewebes, der Folienstärke und der stofflichen Zusammense;zung der zu verbindenden Kunststoffolien und der Temperatur des Metallgewebes abhängig. Beim diskontinuierlichen Arbeiten im Takt in einer Presse hat sich eine Erhitzungsdauer von 60 bis 180 see als zweckmäßig erwiesen. Diese Zeit läßt sich aber beim kontinuierlichen Verfahren bei etwas höherer Erhitzung des Metallgewebes auf einen Bruchteil dieser Zeit herabsetzen, vor allem auch deshalb, wreil die einmal eingebrachte Hitze wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der beidseitigen Kunststoffolien nur sehr langsam abgegeben wird und deshalb beim nachfolgenden Preßschritt, zweckmäßig durch Hindurchführen durch Preßwalzen, noch voll zur Geltung kommt, ohne daß weiter erhitzt werden, d. h. Strom zugeführt werden muß.
Der für die Verbindung der Kunststoffolien mit dem MetaHgewebe und den Kunststoffolien untereinander aufzuwendende Druck ist ebenfalls wieder von einer ganzen Reihe von Faktoren, wie Folien- und Gewebestärke, stofflicher Zusammensetzung, Temperatur des Metallgewebes, dem Schmelzbereich des Kunststoffes, abhängig. Ganz allgemein läßt sich hierzu ausführen, daß der Druck so hoch gewählt wird, daß bei einer bestimmten Temperatur Fließvorgänge in der Kontaktzone zwischen MetaHgewebe und Kunststoffolien ausgelöst werden und dadurch eine Verschweißung herbeigeführt wird. Dabei ist umso weniger Druck erforderlich, je höher die Temperatur des Metallgewebes ist.
Als MetaHgewebe kommen insbesondere Gewebe aus Aluminiumdraht, Kupferdraht und wegen seiner guten Festigkeitseigenschaften und chemischen Inertheit, insbesondere Stahlgewebe, vorzugsweise V2A-Stahl in Betracht
Von gi:iz erheblicher Bedeutung für Eigenschaften des Verbundwerkstoffes und seine Verwendbarkeit sind die Webart, die Dicke und der Volumenanteil des Metallgewebes am Gesamtvolumen der Verbundfolie. Dabei hat sich gezeigt, daß die Verformungseigenschaften bei jeweils gleicher stofflicher Zusammensetzung der Kunststoffolien einerseits und des Metallgewebes andererseits um so günstiger sind, je dünner das MetaHgewebe ist.
Für die Verformbarkeit der flexiblen Verbundfolie zu einem formstabilen Gegenstand ist es wesentlich, daß bei ungerader Anzahl der Meta-i'gewebe das mittlere MetaHgewebe in die neutrale Faser der Verbundfolie eingelagert ist. Diese Einlagerung in der neutralen Faser hat den Vorteil, daß die Flexibilität der Verbundfolie im wesentlichen von dem MetaHgewebe bestimmt wird und keine wesentliche Versteifung durch die Kunststofffolien eintritt, so daß die so aufgebauten Verbundfolien gut wickelfähig oder tiefziehfähig sind. Andererseits geben sie die überraschende Möglichkeiten, sich durch Tiefziehen, bzw. Wickeln u. ä. Verarbeitungsvorgänge in steife und verformungsstabile Gegenstände, wie tiefgezogene, steife Näpfe und gewickelte, starre Hohlkörper, insbesondere Rohre, umwandeln zu lassen. Dieser überraschende Effekt ist darin begründet, daß durch das Tiefziehen oder den Wickelvorgang der Metallgewebe mehr oder weniger stark sus der neutralen Faser heraus bewegt wird und damit eine erhebliche Zunahme an Steifigkeit /e:bunden ist.
Als eingelagertes MetaHgewebe hat sich besonders bewährt ein solches mit Leinenbindung, da die Leinenbindung einen sehr symmetrischen Aufbau hat und damit dem Idealbild einer Einlagerung in der neutralen Faser am nächsten kommt.
Von ganz wesentlicher Bedeutung ist freilich, daß die Drähte, aus denen das eingelagerte Metallgewebe hergestellt ist, im Gewebe ihre freie Beweglichkeit behalten und nicht etv/p durch besondere Maßnahmen, wie Verschweißen an ihren Kreuzungspunkten, festgelegt sind. Das würde zu einer erheblichen Steifigkeitserhöhung führen und die eben geschilderte Verarbeitbarkeit ganz wesentlich beeinträchtigen.
Ein wesentlicher Vorteil der Verbundfolien nach der Erfindung besteht darin, daß durch das eingelagerte Metallgewebe die Verbundfolien eine Zugfestigkeit aufweisen, die um ein Vielfaches höher liegt als die der Kunststoffolien. So lassen sich die erfindungsgemäßen Verbundfolien sehr gut bohren und nieten. Sie sind trotz dieser Verstärkung, insbesondere bei Einlagerung in der neutralen Faser, η )r geringfügig in ihrer Flexibilität herabgesetzt.
Eine überraschende und vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit ergibt sich, indem die Verbundfolie tiefgezogen wird, beispielsweise zu napfförmigen Gebilden, wie Schalen oder Schutzhelmen, die sich im Gegensatz zur
flexiblen und verformbaren Ausgangs-Verbundfolie durch Starrheit und Formbeständigkeit auszeichnen. Dies erklärt sich daraus, daß durch den Tiefziehvorgang das Metallgewebe nicht mehr in der neutralen Faser liegt. Vorzugsweise erfolgt auch dieser Tiefziehvorgang unter Durchleiten von Strom oder induktiver Erwärmung und ist dadurch mit verhältnismäßig geringer Verformungsarbeit durchführbar.
In analoger Anwendungsweise lassen sich durch Übereinanderordnen von mehreren Lagen der Verbundfolie starre, plattenförmige Gebilde herstellen, wobei wiederum die Verbindung zum starren Gebilde und zur Hindurchleitung von Strom durch das eingelagerte Metallgewebe oder durch Einfügen zusätzlicher Metallgewebe und deren Widerstands- bzw. induktive Beheizung erfolgt. Durch das Übereinanderlegen und Verbinden mehrerer Lagen der Verbundfolie tragen die Metallgewebe umso mehr zur Starrheit des Gebildes bei, je mehr sie
außerhalb der neutralen Faser des Gebildes liegen. Es wird hierbei durch das Übereinanderlegen mehrerer Verbundfolien und Verbinden untereinander ein ähnliches Gebilde erhalten wie es entsteht, wenn schon von vornherein bei Herstellung der Verbundfolie mehrere Metallgewebe im Wechsel mil Kunststoffolien zur Verbundfolie vereinigt werden.
Die Eigenschaft und das Eigenschaftsprofil der Verbundfolie und daraus hergestellter Gegenstände wird in starkem Maße natürlich auch von den Eigenschaften der Kunststoffolien bestimmt, die über das eingelagerte Metallgewebe miteinander verbunden werden. Es können auch unterschiedliche Kunststoffolien auf diese Art miteinander verbunden und bestimmte Eigenschaftskombinationen damit erreicht werden. Bevorzugte Kombinationen sind Polyäthylenfolie mit Polypropylenfolie, wodurch chemische Resistenz und gute mechanische Festigkeit miteinander kombiniert werden.
Nachfolgend wird an Hand von Beispielen und Prinzipskizzen ein zweckmäßiges Herstellungsverfahren für die Verbundfolie und deren Eigenschaften bei unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung und unterschiedlicher Stärke der Kunststoffolien und verschiedener Stärken des Metallgewebes beschrieben.
Beispiel 1
In einem in der Zeichnung im Prinzip dargestellten Schweiß- und Preßwerkzeug mit einer metallischen Grundplatte 1 und einem auf die Grundplatte 1 zu bewegbaren Oberstempel 2 aus einem hochfesten Polyäthylen-Basiskörper 3 und einer oberen Metallplatte 4 und mit einer zwochen der Metallplatte 4 und dem Polyäthylen-Basiskörper 3 angeordneten Hartschaumschicht 5 zur gleichmäßigen Druckverteilung wird auf die Grundplatte 1 eine untere Kunststoffolie 6 aus Polyethylenterephthalat mit einem Molgewicht von 8000 bis 10 000, einer Dichte von 138 g/cm3, einer Dicke von 035 mm, einer Länge von 150 mm und einer 3reite von 40 mm aufgelegt. Darüber wird in ungefähr den gleichen Abmessungen ein Stahlgewebe 8 aus austenitischem Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl mit der chemischen Zusammensetzung 0,07 Gew.-% C, 10,5 Gew.-% Ni, 18 Gew.-% Cr, 2,5 Gew.-% Mo, Rest Fe in Leinenbindung, einer Dicke von 0,200 mm und einer Maschenweite von 0315 mm aufgelegt. Darüber wird eine obere Kunststoffolie 7 gleicher stofflicher Zusammensetzung und von gleichen Abmessungen wie die Kunststoffolie 6 aufgelegt. Das Verpressen der beiden Kunststoffolien 6 und 7 mit dem dazwischen eingelagerten Stahlgcwebe 8 unter Dachleiter, von Strom erfolgt bei einer Leistung vnn 450 Watt und einer dadurch erzeugten Temperatur des Stahlgewebes 8 von 38O0C sowie bei einem Druck F von etwa 104 N/cm2 während einer Preß- und Erhitzungsdauer von 120 see.
Die Eigenschaften der so hergestellten Verbundfolie sind folgende:
Der Volumenanteil des Stahlgewebes 8 beträgt 19%, die effektive Dichte ρ = 2,6 g/cm3. Für dessen Elastizitätsmodul ergab sich als Mittelwert aus vier Messungen ein Wert von 7100 N/mm2.
Der effektive Elastizitätsmodul Zug der Verbundfolie beträgt Eze — 13 000 N/mm2.
Die Verbundfolie des Beispiels 1 zeigt eine effektive Bruchspannung obc von 117 N/mm2 und eine effektive Bruchdehnung εBe von 29%.
Der Begriff Effektivwert ist jeweils gewählt worden, weil zu den einzelnen Werten bei der Verbundfolie sowohl die Kunststoffolien 6 und 7 als auch das eingelagerte Stahlgewebe 8 beitragen, aber wegen des innigen Verbundes jeweils nur die effektiven Werte der Verbundfolie insgesamt gemessen werden.
so Beispiel 2
In analoger Weise wird eine entsprechende Verbundfolie mit dem Aufbau Polyäthylen-Oberfolie aus Hochdruckpolyäthylen mit einer Dicke von Op mm und einer Dichte von 032 g/cm3, entsprechender Poiyäthylen-Unterfolie gleicher Dicke und einem Stahlgewebe 8 wie im Beispiel 1 hergestellt, wobei des niederen Schmelzpunktes des Polyäthylens wegen eine Leistung von 350 Watt und eine Temperatur des Stahlgewebes 8 von 3300C ausreichend ist
Die Eigenschaften dieser Verbundfolie sind nachfolgende: Der Volumenanteil des Stahlgewebes 8 beträgt 6,5%. die effektive Dichte pc = 1,4 g/cm3. Der mittlere Elastizitätsmodul beträgt Em = 590 N/mm2, der effektive Elastizitätsmodul Eze = 3800 N/mm2, die effektive Bruchspannung Obc = 44 N/mm2 und die effektive Bruchdehnung EBe = 21%.
Beispiel 3
Bei symmetrischer Einlagerung von insgesamt drei Stahlgewebelagen mit obigen Abmessungen in vier Lagen Kunststoffolie aus Hochdruck-Polyäthylen einer Dicke von 03 mm erreicht der mittlere Elastizitätsmodul einen Wert von EM = 3900 N/mm2, wobei der Volumenanteil 11 % und pe = 1,6 g/cm3 ausmachen.
Beim Schältest, der ein Maß für die Festigkeit des Verbundes ist zeigt sich bei allen Proben, daß die Bruchbildung im Folien-Grundwerkstoff erfolgt, nicht aber im Übergangsbereich des Metallgewebes zum
Kunststoff. Das bedeutet, daß ein ausgezeichneter Verbund zwischen Kunststoff und Metallgewebe vorliegt.
In der Tabelle sind die entsprechenden Werte für eine ganze Reihe unterschiedlicher Metallgewebe aufgeführt. Die beiden detailliert beschriebenen Beispiele I und 2 sind in die Tabelle mit aufgenommen und sind
diejenigen mit dem Gewebe C. Als Kunststoffolien wurden einheitlich für alle Metallgewebetypen einmal eine
Polyäthylenterephthalatfolie von 0,35 mm Stärke und einer Zugfestigkeit von 5400 N/mm2, zum anderen eine
Polyäthylenfolie von 0,5 mm Stärke und einer Zugfestigkeit von 250 N/mm2 eingesetzt. Bei beiden Kunststofffolien wird durch das Metallgewebe die Zugfestigkeit beträchtlich gesteigert. Dieser Effekt ist bei Polyäthylenfolien c'.shalb wesentlich größer, weil Polyäthylenterephthalatfolien bekanntlich für sich allein bereits eine wesentlich größere Zugfestigkeit aufweisen.
Meiallgewcbe 0,400 Maschen Kunstst. . Dicke Vol. Am. l'e Em Ελ- "Bc ε Be
Drahtdicke 0,250 weite folie mm Netz g/cm1 N/mm-' N/mm2 N/mm2 %
mm 0,200 mm %
0,160 PETP 0,35 0 1.38 5 400 112 67
A 0,125 0,630 PETP 0,35 30 3,3 8 200 13 000 128 25
B — 0.490 PETP 0,35 20 2.7 7 400 17 000 124 30
C 0,400 0,3 ij PETr 0,35 i9 2.0 7 100 t 1 ΛΛΛ
IJ \J\J\J 		1 I -i
I I /		 in
D 0,250 0,250 PETP 0,35 14 2,3 6 400 9 400 112 30
E 0.200 0,200 PETP 0,35 12 2.1 5 500 11 000 108 26
— 0,160 — PE 0,5 0 0,92 — 2 500 10 620
A 0,125 0,630 PE 0.5 18 2,2 1 800 4 600 65 29
B 0,400 PE 0,5 11,5 1,7 1 120 5 500 56 21
C 0,315 PE 0,5 6.5 1.4 590 3 800 44 21
D 0,250 PE 0,5 3,0 1,1 300 2 900 38 29
E 0,200 PE 0,5 2.0 1.0 300 3 700 33 22
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer Verbundfolie für das Formen eines formstabilen Gegenstandes, bei dem mindestens ein Metallgewebe unter Anwendung von Wärme und Druck beidseitig mit thermoplastischer Kunststoffolie belegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen der Wärme durch Hindurchleiten von Strom durch das Metallgewebe oder durch Induktionsstrom erfolgt, wobei bei ungerader Anzahl der Metallgewebe das jeweils mittlere Metallgewebe beim Herstellen der flexibel ausgebildeten Verbundfolie in der neutralen Phase angeordnet wird.
2. Verwendung der nach Anspruch 1 hergestellten Verbundfolie zum Tiefziehen des Gegenstandes.
ίο
3. Verwendung der nach Anspruch 1 hergestellten Verbundfolie zum Wickeln des als Hohlkörper ausgebildeten Gegenstandes, wobei mehrere Lagen der Verbundfolie übereinandergelegt werden und zum Verbinden der Lagen Strom durch das Metallgewebe hindurchgeleitet wird.
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