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Verfahren zur Herstellung tiefziehbarer, gebundener
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Nadelvliese für Kraftfahrzeug-Innenausstattungen mit verminderter
Neigung zum Schrumpfen Mit Polymerisat-Dispersionen verfestigte und tiefgezogene
Nadelvliese werden in großem Umfang technisch eingesetzt, insbesondere zur Innenausstattung
von Kraftfahrzeugen, beispielsweise für Bodenbeläge, Kofferraumauskleidungen und
Wandverkleidungen. Derartige tiefziehbare Nadelvliese werden meist hergestellt,
indem ein genadeltes Vlies von einer Seite her (die beim Einsatz dann die Unterseite
ist) mit einer Polymerisat-Dispersion bis zu einer gewissen Tiefe durch Aufpflatschen
der Dispersion und Trocknen verfestigt ist. Vor dem Tiefziehen wird das verfestigte
Vlies gewöhnlich einseitig unter IR-Strahlen erhitzt und oft nach dem Tiefziehen
noch in der geschlossenen Form gekühlt.
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Dem Bindemittel kommt dabei die Aufgabe zu, die Fasern des Nadelvlieses
zusätzlich zu binden und damit auch die Form-und Dimensionsstabilität des verformten
Gebildes gegen die beim Tiefziehen in dem Material erzeugten und nach dem Entformen
noch darin verbliebenen Spannungskråfte zu gewährleisten. Das für das Verfestigen
der Nadelvliese eingesetzte Bindemittel muß einmal gut an den Fasern haften und
zum anderen eine hohe Steifigkeit besitzen, die auch bei Temperaturen erhalten bleibt,
wie sie bei dem späteren Gebrauch der geformten Gebilde auftreten können.
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Während des Tiefziehens dagegen muß das Bindemittelnachgiebig, d.h.
genügend weich sein, damit Einrisse vermieden und die im Material verbleibenden
Spannungen nicht zu groß werden.
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Da für die Herstellung derartiger genadelter und verfestigter Faservliese
in großem Umfang Polypropylenfasern eingesetzt werden, darf beim Erhitzen vor dem
Tiefziehen eine Temperatur von 120 bis höchstens 130°C nicht überschritten werden.
Andererseits können beim Gebrauch der geformten Gebilde in Kraftfahrzeugen unter
ungünstigen Bedingungen, z.B. bei Sonneneinstrahlung oder auch beim Nachlackieren
eines Kraftfahrzeugs, leicht Temperaturen von 80°C und darüber auftreten. Bei derartigen
Temperaturen dürfen dann keine zu großen Veränderungen der Abmessungen derartiger
Innenauskleidungen, insbesondere durch Schrumpfen, auftreten.
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Die im allgemeinen für das Verfestigen von gegebenenfalls genadelten
Fuservliesen eingesetzten Copolymerisat-Dispersionen ergeben zwar ebenfalls tiefziehbare
gebundene Nadelvliese. Diese Copolymerisate sind jedoch für den hier beabsichtigten
Verwendungszweck ungeeignet, was sich darin äußert, daß die damit verfestigten und
tiefgezogenen Vliese oft schon bei Normaltemperatur, auf Jeden Fall aber bei 80°C
zu stark schrumpfen.
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Für das Verfestigen von Faservliesen wurden auch schon Pfropfcopolymerisate,
zu deren Herstellung Acrylsäurealkylester eingesetzt wurden, eingesetzt (vgl. z.B.
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DE-AS 12 32 103, Beispiel 14). Derartige Pfropfcopolymerisate ergeben
Jedoch beim Verfestigen von genadelten Flaservliesen tiefziehbare Produkte, die
-gleichfalls stark schrumpfen und keine Wärmestandfestigkeit aufweisen, die für
eine Verwendung im Automobilbau ausreicht.
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Auch die aus der DE-OS 24 52 585 bekannten scherstabilen Copolymerisat-Dispersionen,
die in einer zweistufigen Einulsions-Copolymerisation aus olefinisch ungesättigten
Monomeren hergestellt sind, und die als Bindemittel für
Faservliese
in Frage kommen (vgl. Seite 8, Zeilen 26 und 27 der DE-OS) kommen für die Herstellung
von tiefziehbaren, genadelten Faservliesen für Kraftfahrzeug-lnnenausstattungen
nicht in Frage, da sie keine verfestigten Faservliese mit verminderter Neigung zum
Schrumpfen ergeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung
von tiefziehbaren, gebundenen Nadelvliesen zur Kraftfahrzeug-Innenausstattung, die
eine verminderte Neigung zum Schrumpfen bei Sonneneinstrahlung und bei der Nachlackierung
der Kraftfahrzeuge aufweisen.
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Es wurde nun gefunden, daß man tiefziehbare, gebundene Nadelvliese
für Kraftfahrzeug-Innenausstattungen mit verminderter Neigung zum Schrumpfen bei
Sonneneinstrahlung und Nachlackierung durch an sich übliches Behandeln des genadelten
Vlieses mit einer wäßrigen Copolymerisat-Dispersion und Trocknen des behandelten
Vlieses bei erhöhter Temperatur dadurch herstellen kann, daß man das Behandeln des
genadelten Vlieses mit einer durch zweistufige Emulsionscopolymerisation von olefinisch
ungesättigten Monomeren hergestellten Copolymerisat-Dispersionen vornimmt, bei der
die Latexteilchen aus zwei Phasen bestehen, deren Glastemperaturen sich um mindestens
40°C unterscheiden, wobei die Glastemperatur einer Phase über 600C und das Mengenverhältnis
der Phasen im Bereich von 20 : 80 bis 80 : 20 liegen.
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Die als Ausgangsmaterial verwendeten Nadelvliese können aus den hierfür
üblichen Fasern, z.B. Polypropylen-Fasern, Polyamid-, Polyester-Fasern oder Fasermischungen
hergestellt und in üblicher Weise genadeLt sein. Auch das Pflatschen der genadelten
Vliese mit der wäßrigen, durch zweistufige Emulsions-Oopolymerisation hergestellten
Copolymerisat-Dispersion
und das Trocknen der mit der Dispersion behandelten Vliese kann in an sich üblicher
Weise vorgenommen werden. Dabei beträgt die verwendete Menge an Copolymerisat-Dispersion
20 bis 150, vorzugsweise 40 bis 100 Gew.-% (fest auf fest) und die Copolymerisat--Dispersion
wird im allgemeinen in einer Konzentration von 20 bis 65, vorzugsweise von 35 bis
50 Gew.-% eingesetzt, wobei die Dispersion in üblicher Weise geschäumt sein kann
und im allgemeinen bis zu 80, meist von 15 bis 60 %, bezogen auf die Stärke des
genadelten Vlieses, in dieses eindringt. Das Trocknen der auf diese Weise behandelten,
d.h. imprägnierten, genadelten Vliese wird meist bei Temperaturen von 80 bis 160,
insbesondere von 110 bis 1300C, oft unter Einsatz von Infrarotstrahlern zum Vorerhitzen,
gewöhnlich auf Trommeltrocknern, durchgeführt.
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Die für das neue Verfahren verwendeten Copolymerisat-Dispersionen
werden durch zweistufige Emulsions-Copolymerisation von olefinisch ungesättigten
Monomeren hergestellt.
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Die olefinisch ungesättigten Monomeren werden derart ausgewählt, daß
die Glastemperaturen der bei der Zweistufen--Emulsionspolymerisation entstehenden
Phasen der Latexteilchen sich um mindestens 400C, vorzugsweise um 60 bis 1500C voneinander
unterscheiden, wobei die Glastemperatur einer Phase über 600C, vorzugsweise zwischen
90 und 1200C liegt. Das Mengenverhältnis der Phasen soll im Bereich von 20 : 80
bis 80 : 20, insbesondere von 25 : 75 bis 60 : 40, vorzugsweise von 30 : 70 bis
50 : 50 liegen. (Die erste Zahl bezieht sich Jeweils auf die Phase mit der niedrigeren
Glastemperatur.) Als olefinisch ungesättigte. Monomere kommen vor allem Styrol,
Acrylsäure- und Methacrylsäure--alkylester von 1 bis 8, vorzugsweise 1 bis 4 C-Atome
enthaltenden Alkanolen und Butadien in Betracht, die im Gemisch mit bis zu 70, vorzugsweise
bis zu 50, oft 10 bis 30 Gew.-, bezogen auf die gesamten Monomeren, Acrylnitril
und
mit bis zu 10, insbesondere mit 1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die gesamten Monomeren,
an X,ß-monoolefinisch ungesättigten, 3 bis 5 C-Atome enthaltenden Mono- und/oder
Dicarbonsäuren und/oder deren Amiden oder durch N-Methylolgruppen substituierten
Amiden verwendet werden können. Bei der Herstellung der zweistufigen Emulsions-Copolymerisate
ist es von besonderem Interesse, zunächst solche Monomere einzeln oder in Mischung
miteinander in Emulsion zu polymerisieren, die, wie Styrol, Methylmethacrylat, t-Butylacrylat
oder Acrylnitril, harte Homopolymerisate ergeben, wenn sie für sich polymerisiert
werden. Die zweite Stufe der Emulsions-Oopolymerisation schließt sich an, wenn die
Monomeren der ersten Stufe ganz oder nahezu vollständig polymerisiert sind. Hierfür
werden dann solche Monomere eingesetzt, die, wenn sie für sich polymerisiert werden,
weichere Polymerisate ergeben. Beispiele hierfür sind Butadien, n-Butylacrylat,
Isobutylacrylat, n-Butylmethacrylat und Isobutylmethacrylat. Als X,ß-monoolefinisch
ungesättigte Carbonsäuren sind Acrylsäure, Methacrylsäure und Itaconsäure von besonderem
Interesse. Als Amide werden Acrylsäure- und Methacrylsäureamide bevorzugt. Geeignete
N-Methylolamide sind vor allem N-Methylolacrylamid und -methacrylamid. Diese nur
in geringen Anteilen mitverwendeten Monomeren sind gewöhnlich auf beide Stufen verteilt.
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Von besonderem Interesse als Bindemittel für die tiefziehbaren, gebundenen
Nadelvliese sind solche in zweistufiger Emulsions-Copolymerisation hergestellte
Copolymerisate, deren eine Phase aus Styrol oder Gemischen von Styrol mit bis zu
50 Gew. -%, bezogen auf diese Gemische, Acrylnitril und bis zu 10, vorzugsweise
0,5 bis 5 Gew.-% ,-monoolefinisch ungesättigten 3 bis 5 C-Atome enthaltenden Monocarbonsäuren
und deren andere Phase aus Gemischen von 20 bis 70 Gew.-%, bezogen auf die Gemische,
Butadien und 30 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Gemische,
Styrol
und ggf. Acrylnitril, <,R-monoolefinisch ungesättigten 3 bis 5 C-Atome enthaltenden
Monocarbonsäuren und/oder deren ggf. in den Stickstoffatomen durch N-Methylolgruppen
substituierten Amiden hergestellt sind. Als Monomere für die zweite Phase kommen
auch Acrylsäure- und/oder Methacrylsäureester von 1 bis 8, insbesondere 1 bis 4
C-Atome enthaltende Alkanolen in Frage.
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Bei der praktischen Durchführung der zweistufigen Emulsions-Copolymerisation
wird vorzugsweise nach dem Emulsions-Zulaufverfahren gearbeitet. Es können die üblichen
Polymerisationsinitiatoren wie insbesondere wasserlösliche Peroxide, z.B. Ammonium-,
Natrium- oder Kaliumpersulfat, Wasserstoffperoxid, Alkaliperborate oder übliche
Redox--Katalysatoren sowie die für die Emulsions-Copolymerisation üblichen Emulgatoren
und ggf. Schutzkolloide in den üblichen Mengen eingesetzt werden. Die Mitverwendung
von üblichen Reglern, wie Dodecylmercaptan, kann in manchen Fällen von Vorteil sein.
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Die nach dem neuen Verfahren hergestellten tiefziehbaren, gebundenen
Nadelvlie se für Kraftfahrzeug-Innenausstattungen neigen bei erhöhten Temperaturen,
wie sie bei Sonneneinstrahlung in Kraftfahrzeugen oder bei der Nachlackierung der
Kraftfahrzeuge auftreten können, besonders wenig zum Schrumpfen. Als Beleg hierfür
sind in den folgenden Beispielen Angaben über die Dimensionsstabilität von erfindungsgemäß
hergestellten Nadelvliesen angegeben, die wie folgt bestimmt wurden: Prüfmethode:
Ein Nadelvlies aus 9 cm langen Polypropylenfasern (17 dtex) eines Flächengewichts
von 700 - 900 g/m2 und einer Dicke von 6 - 7 mm (bestimmt nach DIN 53 855,
Blatt
3) wird mit einem auf ein Litergewicht von 500 g mit Luft geschäumten Gemisch aus
100 Gew.-Teilen Copolymerisat-Dispersion und 10 Gew.-Teilen einer 10 %igen wäßrigen
Lösung eines handelsüblichen Verdickungsmittels (t Collacral VL, auf 10 % Feststoffgehalt
verdünnt) auf einem Zweiwalzen-Foulard gepflatscht. Dabei beträgt die Copolymerisat-Aufnahme
ca. 55 bis 65 Gew.-%, bezogen auf das Fasergewicht (fest auf fest). Anschließend
trocknet man im Trockenschrank bei 120°C bis zur Gewichtskonstanz und klimatisiert
die Probe 16 Stunden bei 230C/50 % relativer Luftfeuchtigkeit.
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Aus dem derart verfestigten genadelten Vlies werden rechteckige Probestücke
der Abmessungen 24,3 x 8 cm derart geschnitten, daß die Längsseiten der Stücke parallel
zur Produktionsrichtung des Nadelvlieses verlaufen.
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Die Probestücke werden unter Vermeidung einer Einschnürung bzw. Verschmälerung
senkrecht zur Dehnungsrichtung in der Ebene einachsig gestreckt. (Hierfür wird ein
rechteckiger Metallrahmen einer lichten Breite von 10 cm verwendet, von dem einer
der beiden kürzeren Seitenbalken parallel verschoben werden kann, so daß die lichte
Länge des Rahmens bis maximal 24,4 cm verändert werden kann. Der Rahmen enthält
Haltevorrichtungen für die Probestücke, durch die die Probestücke an den Schmalseiten
des Rahmens fest fixiert werden können, indem beide Enden des jeweiligen Probestücks
Je 2 cm tief eingeklemmt werden, wodurch sich eine freie Einspannlänge von 20,3
cm ergibt. Die beiden längeren Seitenbalken des Rahmens sind als Schienen ausgebildet,
in denen Jeweils 11 Rollen laufen, die mit Klammern versehen sind, die das Probestück
an seinen Längsseiten in gleichmäßigen Abständen halten, wobei zwischen den beiden
Reihen von Klammern ein freier Abstand von 6,5 cm verbleibt.)
Nach
dem Einspannen der Probestücke in den Rahmen (die mit der Copolymerisat-Dispersion
verfestigte Seite nach oben) wird in waagrechter Anordnung von oben mit einem IR-Strahler
90 sec bestrahlt (strahlende Fläche 50 x 25 cm, Strahlerleistung 2 kW, Abstand Strahlerebene
zu Vliesebene 22 cm). 5 sec nach Beendigung der Bestrahlung wird das Probestück
in Längsrichtung um 20 % gestreckt, indem innerhalb von 2 sec der bewegliche Balken
des Metallrahmens um 4,1 cm bis zu einem Anschlag verschoben und in dieser Position
befestigt wird. Zum raschen Abkühlen legt man dann einen Aluminiumblock (24 x 6
x 2 cm) mit einer großen Seitenfläche nach unten auf. Er wird nach 2 min entfernt.
Anschließend wird aus dem noch eingespannten Probestück ein rechteckiger Prüfkörper
einer Oberfläche von 14 x 5 cm ausgestanzt. Die Länge des Prüfkörpers, der sich
nach dem Ausstanzen zu verkürzen beginnt, wird innerhalb 30 sec nach dem Ausstanzen
gemessen und ebenso nach 24 stündiger Lagerung bei 230C bei 50 % relativer LuStfeuchtigkeit.
Man lagert dann noch 5 Stunden bei 80°C und klimatisiert 3 Stunden bei 23°C und
50 % relativer Luftfeuchtigkeit, worauf eine dritte Längenmessung folgt. Die gemessenen
Längenänderungen werden auf die Ausgangslänge des ausgestanzten Prüfkörpers von
14 cm = 100 % bezogen.
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Die in den folgenden Beispielen angegebenen Teile und Prozente beziehen
sich auf das Gewicht.
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Beispiel 1 Vorlage: 258 Teile Wasser 58,8 Teile Zulauf I 20 Teile
Zulauf III
Zulauf I: 258 Teile Wasser 300 Teile Styrol 30 Teile
eines handelsüblichen Emulgators auf Basis von 015-Paraffinsulfonat, Na-Salz als
40 %ige wäßrige Lösung Zulauf II: 258 Teile Wasser 60 Teile Styrol 240 Teile n-Butylacrylat
30 Teile des bei Zulauf I genannten Emulgators Zulauf III: 100 Teile Wasser 3 Teile
Kaliumpersulfat In einem Polymerisationsgefäß mit Innenthermometer, Rührer und Rückflußkühler
wird die Vorlage auf 850C erwärmt. Nach Anspringen der Polymerisation (etwa nach
10 min) werden die Zuläufe I und II nacheinander Jeweils innerhalb von 1 1/2 Stunden
gleichmäßig zugefahren. Man polymerisiert jeweils nach Ende der Zudosierung der
Zuläuft I und II noch etwa 1/2 Stunde nach und erhält eine stabile 40 %ige Copolymerisat-Dispersion.
Mit dieser Dispersion wird wie oben bei der Beschreibung der Prüfmethode ein Nadelvlies
verfestigt. Die damit erhaltenen Prüfergebnisse zur Dimensionsstabilität sind in
Tabelle 1 zusammengefaßt.
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Vergleichsbeispiel 1 Vorlage: 258 Teile Wasser 117,6 Teile Zulauf
1 20 Teile Zulauf II
Zulauf I: 516 Teile Wasser 360 Teile Styrol
240 Teile n-Butylacrylat 60 Teile des in Beispiel 1 genannten Emulgators Zulauf
II: 100 Teile Wasser 3 Teile Kaliumpersulfat In dem Polymerisationsgefäß wird die
Vorlage auf 850C erwärmt. Nach Anspringen der Polymerisation werden gleichzeitig
die Zuläuft I und II gleichmäßig innerhalb von 3 Stunden bei 850C zugefahren. Nach
Zugabe der Monomeren wird noch 1/2 Stunde nachreagieren lassen. Man erhält eine
stabile 40 %ige Copolymerisat-Dispersion. Mit der Copolymerisat-Dispersion wird
ein genadeltes Faservlies, wie oben bei der Prüfmethode angegeben, verfestigt. Die
damit erhaltenen Meßwerte zur Dimensionsstabilität sind in der folgenden Tabelle
zusammengefaßt.
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Beispiel 2 Man arbeitet wie in Beispiel 1 angegeben, verwendet jedoch
für die erste Stufe als Monomeres 300 Teile Methylmethacrylat und für die zweite
Stufe ein Gemisch aus 270 Teilen n-Butylacrylat und 30 Teilen Methylmethacrylat,
jeweils anstelle der im Beispiel 1 angegebenen Monomeren.
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Unter sonst gleichen Bedingungen wird eine stabile 40 %ige Copolymerisat-Dispersion
erhalten, mit der, wie oben angegeben, ein genadeltes Faservlies verfestigt wird.
Die Meßwerte zur Dimensionsstabilität sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
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Vergleichsbeispiel 2 Man arbeitet wie bei Vergleichsbeispiel 1 angegeben,
verwendet aber anstelle der dort angegebenen Monomeren ein Gemisch aus 330 Teilen
Methylmethacrylat und 270 Teilen n--Butylacrylat. Auch in diesem Fall wird eine
stabile 40 ziege Copolymerisat-Dispersion erhalten. Mit der Dispersion wird gleichfalls
wie oben angegeben ein genadeltes Faservlies verfestigt. Die damit erhaltenen Meßwerte
zur Dimensionsstabilität sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
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Beispiel 3 Vorlage: 2,000 Teile Wasser 0,036 Teile Kaliumpersulfat
3 Teile Zulauf I Zulauf I: 8,500 Teile Wasser 0,600 Teile des in Beispiel 1 genannten
Emulgators 0,120 Teile tert.-Dodecylmercaptan 0,400 Teile Acrylsäure 0,960 Teile
Acrylnitril 6,640 Teile Styrol Zulauf Ia: Rest von Zulauf I 4,000 Teile Butadien
Zulauf II: 1,000 Teile Wasser 0,024 Teile Kaliumpersulfat Die Vorlage wird auf 800C
erwärmt und 30 min anpolymeri siert. Dann werden innerhalb von 3 Stunden gleichmäßig
56 Teile Zulauf I zugegeben und 1 Stunde polymerisieren lassen. Anschließend gibt
man zu dem restlichen Zu-
lauf I das Butadien und dosiert gleichzeitig
Zulauf Ia und Zulauf II gleichmäßig innerhalb von 2 Stunden zu. Den Ansatz läßt
man bei 800C auspolymerisieren. Man gibt dann 0,050 Teile 25 %ige wäßrige Ammoniaklösung
zu und entfernt die nichtumgesetzten Monomeren (weniger als 0,5 % der Monomeren)
durch Einleiten von Wasserdampf und erhält eine stabile 50 ziege Dispersion. Mit
der Dispersion wird wie bei der Prüfmethode angegeben ein genadeltes Faservlies
verfestigt. Die damit bestimmten Meßwerte zur Dimensionsstabilität sind in der folgenden
Tabelle zusammengefaßt.
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Vergleichsbeispiel 3 Die Vorlage wird in dem Polymerisationsgefäß
auf 800C aufgeheizt und 30 min anpolymerisieren lassen. Dann läßt man gleichzeitig
Zulauf Ia + Ib und II innerhalb von 4 Stunden gleichmäßig zulaufen. Nach dem Auspolymerisieren
gibt man wie bei Beispiel 3 angegeben, Ammoniak zu und entfernt die restlichen Monomeren.
Auch in diesem Fall wird eine stabile Dispersion erhalten. Mit der Dispersion wird,
wie bei der Prüfmethode angegeben, ein genadeltes Faservlies verfestigt. Die damit
bestimmten Meßwerte zur Dimensionsstabilität sind in der folgenden Tabelle angegeben.
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Beispiel 4 Vorlage: 2,000 Teile Wasser 9,036 Teile Natriumpersulfat
3 Teile Zulauf Ia Zulauf I: 8,500 Teile Wasser 0,600 Teile eines handelsüblichen
Emulgators wie in Beispiel 1 genannt 0,180 Teile tert.-Dodecylmercaptan 0,840 Teile
Methacrylsäure 0,060 Teile Methacrylamid 8,100 Teile Styrol Zulauf Ia: Rest Zulauf
I (2,73 Teile) 1,500 Teile Butadien Zulauf II: 1,000 Teile Wasser 0,048 Teile Natriumpersulfat
Man arbeitet wie in Beispiel 3 angegeben, läßt jedoch Zulauf I innerhalb von 2 Stunden
und Zulauf II und Zulauf Ia zusammen innerhalb 1/2 Stunde zulaufen und polymerisiert
nach Zulaufende 2 Stunden nach.
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Vergleichsbeispiel 4 Die Vorlage wird auf 800C aufgeheizt und 1/2
Stunde anpolymerisiert. Dann läßt man Zulauf I (entspricht Zulauf I + Ia in Beispiel
4) und II innerhalb 4 Stunden gleichmäßig zulaufen. Weiterhin wird wie in Vergleichsbeispiel
3 verfahren.
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Tabelle: Prüfergebnisse zur Dimensionsstabilität Beispiel Nadelvlies
Bindemittel Gesamtschrumpfung in % Fasergewicht auftrag (Gew.%) nach dem nach 24
Std. nach 5 Std.
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(g/m²) Ausstanzen bei 23°C/ bei 80°C 50 % r.F.
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1 750 58,5 1,37 1,81 3,83 Vergleich 1 777 59,0 1,56 2,29 5,96 2 754
58,8 1,62 2,42 4,21 Vergleich 2 750 58,7 2,05 2,96 4,52 3 880 55,4 1,01 1,65 5,05
Vergleich 3 898 52,4 1,67 2,42 9,04 4 784 67,3 0,98 1,52 3,07 Vergleich 4 754 63,0
0,58 0,96 5,25