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Die Erfindung betrifft rieselfähige, Mikrofasern ent-
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haltende Formmassen in Granulatform, die sich insbesondere zum Spritzgiessenvon
Formteilen eignen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung
solcher Formmassen und auf ihre Verwendung.
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Granulierte Formmassen, die z.B. aus härtbaren Kunstharzen und üblichen
Zusatzstoffen bestehen und zum Spritzgiessen von Formteilen verwendet werden, sind
bekannt (z.B DE-AS 17 78 950). Häufig enthalten solche Formmassen als Bindemittel
sogenannte "Duroplasten" oder Vorstufen hiervon, die nach ihrer vollständigen Aushärtung
(meist in einer heissen Form) engmaschig vernetzte hochpolymere Werkstoffe darstellen.
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In chemischer Hinsicht basieren solche Formmassen hauptsächlich auf
Phenolharzen, Harnstoffharzen, elaminharzen, Melamin-Phenol-Harzen, Polyesterharzen,
Epoxidharzen und Diallylphthalat.
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Die Bedeutung duroplastischer Formmassen spiegelt sich z.B. in ihrem
Gesamtverbrauch in Westeuropa von etwa 325.000 Tonnen im Jahre 1978 wieder. Die
daraus hergestellten Formteile finden eine große Anwendung in den Bereichen Elektroindustrie,
Kraftfahrzeugbau, Flugzeugbau, Schiffsbau, Raketentechnik, chemische Industrie,
Büromaschinen und Haushaltsgeräte.
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Durch die weltweit steigenden Kosten für Investitionsgüter besteht
ein großes Interesse an Formteilen verschiedenster Art mit einer sehr langen Lebensdauer.
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Außerdem werden für besondere Einsatzzwecke, z.B. in der Raketentechnik,
Werkstoffe benötigt, die extremen mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen
standhalten müssen. Solche Formteile können mit den verfüg-
baren
Formmassen nicht hergestellt werden.
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Außerdem wird angestrebt, die Herstellung von Formteilen aus Formmassen
möglichst zu vereinfachen sowie sicherer und umweltfreundlicher durchzuführen. Dazu
eignet sich die Verwendung einer Formmasse in Gestalt eines rieselfähigen Granulats
besonders gut, da diese Produktform innerhalb einer Verarbeitungsvorrichtung leicht
transportierbar und dosierbar ist sowie durch die Vermeidung von Staub Materialverluste
und eine Belastung von Umwelt und Personal ausschließt.
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Es ist auch schon von der Verwendung von Mikro fasern mit einem Durchmesser
von 0,002 bis 0,015 mm und einer Mindestlänge von 0,4 mm im Zusammenhang mit einem
verstärkenden Harz, z.B. einem Phenol-Formaldehyd-Harz, berichtet worden (vgl. europäische
Patentveröffentlichung Nr, 0 047 701). Diese Fasern sind zur Herstellung eines gegen
Wärme schützenden Materials vorgesehen, wobei ein aus den Fasern bestehendes Substrat
in eine Lösung des genannten Harzes getaucht wird. Es handelt sich hierbei also
nicht um eine Formmasse und ein daraus hergestelltes Formteil im üblichen Sinn.
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In der Veröffentlichung "VDI-Nachrichten3' NR. 12, 19. März 1982,
werden faserverstärkte Kunststoffe auf der Basis von Phenol- -und Epoxidharzen erwähnt.
Für höchst beanspruchte Formteile werden in diese Materialien Kohlenstoffasern eingearbeitet.
Die Dicke einer solchen Faser liegt bei etwa 0,01 mm. Uber die Form der Fasern wird
in dieser Druckschrift nichts ausgesagt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, rieselfähige und Mikrofasern
enthaltende Formmassen in Granulatform, insbesondere zum Spritzgiessen, anzugeben,
aus denen
Formteile hergestellt werden können, deren physikalische
Eigenschaften in Bezug auf den speziellen Einsatzzweck des jeweiligen Formteils
gegenüber bekannten Formteilen verbessert sind. Beispiele für solche physikalische
Eigenschaften sind die Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit,
Formbeständigkeit in der Wärme, Schrumpfheständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische
Isolationsfähigkeit.
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Welche der physikalischen Eigenschaften verbessert werden soll, hängt
von der besonderen Art der Verwendung der aus den Formmassen herzustellenden Formteile
ab.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Mikrofasern in Form von zwei-oder dreidimensionalen Fasergebilden vorliegen.
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Aus den erfindungsgemäßen Formmassen können Formteile hergestellt
werden, die insbesondere hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, z.B. bei
einer Zug-, Druck-, Biege-, Schlag- oder Schwingungsbelastung, bekannten Formteilen,
welche diese besonderen Mikrofasergebilde nicht enthalten, überlegen sind.
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Der Ausdruck Mikrofasern bedeutet in diesem Zusammenhang Fasern mit
einer relativ kleinen Dicke, vorzugsweise mit einer maximalen Dicke von unter 0,1
mm, insbesondere 0,01 bis 0,05 mm, sowie mit einer nicht zu großen Länge, vorzugsweise
einer Länge, die etwa dem Fünfziqfachen der Faserdicke entspricht.
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Der Querschnitt der Mikrofasern kann sehr unterschiedlich, z.B. etwa
kreisförmig, elliptisch, oval, drei- oder vier- oder mehreckig oder unregelmäßig,
sein. Auch kommen Hohlfasern in Betracht, die gegebenenfalls einen Längs-
schlitz
aufweisen.
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In Abhängigkeit von der Form des Faserquerschnitts ist der Querschnittsumfang
verschieden lang bzw. die für den Kontakt zwischen dem Bindemittel der Formmasse
und der Mikrofaser zur Verfügung stehende Haftoberfläche der Mikrofaser verschieden
groß. Im allgemeinen sind Mikrofasern umso mehr bevorzugt je länger der Querschnittsumfang
bzw. je großer die genannte Haftoberfläche ist.
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Hinsichtlich ihrer chemischen Natur kommen sehr unterschiedliche anorganische
und organische Mikrofasern in Frage.
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Anorganische Fasern sind z.B. Mineralfasern aus Asbest oder C-alciumaluminiumsilicat,
Glasfasern oder Fasern aus Kohlenstoff, wie Graphit, oder Siliciumcarbid, Siliciumnitrit,
Siliciumdioxid, Kieselsäure, Zirkonoxid, Zirkonsilicat, Bor, Bornitrid, Borcarbid,
Aluminiumoxid oder Metallen, wie Stahl, Aluminium, Magnesium, Molybdän oder Wolfram,
Beispiele für organische Fasern sind Naturfasern aus Sisal, Jute, Hanf, Henequen,
Cellulosefasern oder Palmfasern, sowie Synthesefasern, wie Fasern aus Polyester,
Polyacrylnitril, Polypropylen, Polyamid und Aramid (Polyamid mit hohem Aromatenanteil).
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Es können auch Gemische aus Fasern der vorgenannten Art verwendet
werden, was meistens zu bevorzugen ist.
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Das Granulat, in der die Formmassen vorliegen, weist eine übliche
Korngröße auf. Vorzugsweise liegt die Korn-
größe bei etwa 2,5 mm.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Mikrofasern
unter weitgehender Vermeidung von Faserbündeln größtenteils einzeln in den Formmassen
vor. Dies hat den Vorteil, daß jede einzelne Mikrofaser an der Verstärkung der Formmasse
bzw. des daraus hergestellten Formteils mitwirkt, wobei gleichezeitig bei einem
gegebenen Verstärkungsgrad weniger Mikrofasern ausreichen als in dem Falle, in welchem
Faserbündel vorliegen, in denen ein großer Teil der Mikrofasern wirkungslos ist.
Die Vermeidung von Faserbündeln führt auch zur Verringerung der Kosten für die Formmassen,
da weniger Mikrofasern benötigt werden, wenn jede einzelne davon zur Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften des gehärteten Endprodukts beiträgt.
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Weiterhin wird eine maximale Dicke von unter 0,1 mm, insbesondere
0,02 bis 0,05 mm, der Mikrofaser bevorzugt. Bei Verwendung solcher Fasern ist eine
besonders deutliche Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der aus den Formmassen
erhaltenen gehärteten Formteile gegeben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung haben die Mikrofasern eine
Länge, die etwa dem Fünfzigfachen der Faserdicke entspricht. Diese Länge bringt
einerseits noch für jede Mikrofaser eine ausreichend große Haftoberfläche gegenüber
dem Bindemittel der Formmasse mit sich und reicht auch für die Ausbildung der gewünschten
Fasergebilde aus. Andererseits ist diese Länge nicht so groß, daß bei der Verarbeitung
der Formmasse zu Formteilen, z.B. beim Spritzgiessen, im Strom der verflüssigten
Formmasse eine meist unerwünschte Ausrichtung der Mikrofasern erfolgt.
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Es hat sich auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die für den Kontakt
zwischen deren Bindemittel der Formmasse und einer Mikrofaser zur Verfügung stehende
Haftoberfläche der Mikrofaser im allgemeinen mehr als das Hundertfache der Querschnittsfläche
der Mikrofaser beträgt. Mit zunehmender Größe der Haftoberfläche der einzelnen Mikrofasern
wird eine Kraft, die auf das die Mikrofasern enthaltende Formteil ausgeübt wird,
besser auf die Mikrofasern übertragen, wobei gleichzeitig das ausgehärtete Bindemittel
im Formteil entlastet wird.
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Insgesamt führt dies zu günstigeren mechanischen Eigenschaften des
Formteils.
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Das vorgenannte Verhältnis von Haftoberfläche zur Querschnittsfläche
der Mikrofaser kann auch als Maß für die Länge der Mikrofaser betrachtet werden.
Die genannte Mindestgröße der Haftoberfläche, ausgedrückt als das Hundertfache der
Querschnittsfläche, ergibt sich für Mikrofasern mit einem im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt. Bei gleicher Faserlänge, jedoch einem Faserquerschnitt mit größerem
Querschnittsumfang (z.B.
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bei längsgeschlitzten Hohlfasern oder Fasern mit einem Querschnitt
in Form eines flachen Rechtecks) kann das genannte Verhältnis von Haftoberfläche
zu Querschnittsfläche circa 150 bis 230,ion Sonderfällen sogar über 250, betragen.
Mikrofasern mit derart großen Haftoberflächen sind besonders günstig.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf solche
Formmassen, in denen die Form des Fasergebildes der Mikrofaser ein Knäuel oder eine
Wendel ist.
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Bei diesen dreidimensionalen Fasergebilden haL sich gezeigt, daß eine
Entmischung des Systems aus Formmassenbindemittel und Mikrofasern sowie eine ausrichtunq
der Mikrofasern im Formmassenstrom beim Spritzgiessen nicht
auftreten.
Mikrofasern in Form von Knäueln oder Wendeln eignen sich daher besonders gut zur
Herstellung von ausgehärteten Formteilen mit einem weitgehend homogenen Gefüge.
Diese Formteile haben durch das weitestgehende Fehlen von Schwachstellen auch bei
ständiger mechanischer Belastung eine hohe Lebensdauer.
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Auch bei den Knäueln und Wendeln wird angestrebt, daß jede derart
geformte Mikrofaser möglichst einzeln, und nicht als Faserbündel oder dichte Faseragglomeration
in der Formmasse verteilt ist.
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Innerhalb eines Knäuels kann die Mikrofaser relativ regelmäßig oder
sehr unregelmäßig angeordnet sein. Auch ist eine Tordierung der einzelnen Faser
möglich.
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Das Volumenverhältnis des Formmassenbindemittels (Matrix) und der
Mikrofasern kann sehr unterschiedlich sein. Im Falle von Fasergebilden in Form von
Wendeln mit etwa zweieinhalb Gängen kann das Verhältnis der beiden Volumina (Matrix
: Mikrofaser) z.B. etwa 3,2 (wenn der Wendeldurchmesser etwa dem Fünffachen des
Faserdurchmessers entspricht) bis etwa 12,7 (wenn der Wendeldurchmesser dem Zehnfachen
des Faserdurchmessers entspricht) betragen.
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Dieses Volumenverhältnis kann aber bei anderen Wendeln auch Werte
außerhalb des genannten Bereichs annehmen.
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Dies hängt von der Anzahl der Gänge der Wendel und ihrem gegenseitigen
Abstand ab, wofür im Rahmen der Erfindung ein großer Spielraum gegeben ist.
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Die besten Eigenschaften der gehärteten Formteile werden erhalten,
wenn die Fasergebilde einen Durchmesser von höchstens 0,5 mm, vorzugsweise von 0,1
mmlaufweisen.
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Bei Beachtung dieser Maximalgröße bleibt auch beim Spritzgiessen der
Formmasse eine statistische, also un-
orientierte Verteilung der
Fasergebilde erhalten, wie es meist erwünscht ist.
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Wenn der Faserdurchmesser z.B 0,01 mm beträgt, entspricht die bevorzugte
maximale Größe der Fasergebilde dem Fünfzigfachen dieses Faserdurchmessers.
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Aber auch beim Zwanzig- oder Dreißigfachen dieses Durchmessers werden
noch befriediqende Ergebnisse erzielt.
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Wenn die Fasergebilde einen Durchmesser von mehr als 0,5 mm aufweisen,
können sie verformt werden, wenn die Formmasse in eine Form eingespritzt wird. In
diesem Fall werden nicht die optimalen mechanischen Eigenschaften der gehärteten
Formteile erreicht.
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Es gibt jedoch auch Sonderfälle, in denen eine Orientierung der Mikrofasern
in der Formmasse bzw. im gehärteten Formteil beabsichtigt ist. Dies gilt z.B. für
Formteile, die hauptsächlich in nur einer Richtung mechanisch beansprucht werden
sollen. In diesen Fällen kann der Durchmesser der Fasergebilde auch über 0,5 mm
liegen Es ist von Vorteil, wenn das Material der Mikrofasern einen größeren Elastizitätsmodul
als das Bindemittel der jeweiligen Formmasse aufweist. Ein wesentlicher Grund für
die Verwendung von Fasern in Formmassen liegt darin, daß bei Einwirkung mechanischer
Kräfte auf das gehartete Formteil die verstärkende Faser die umgebende Harzmatrix
möglichst entlasten, also selbst eine möglichst hohe Spannung bei möglichst geringer
Verformung aufnehmen soll.
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Dies wird am besten dadurch erreicht, daß die Faser einen höheren
Elastizitätsmodul als die zu verstärkende Ilarzmatrix hat. Gleichzeitig muß die
an sich selbstverständliche Voraussetzung erfüllt sein, daß die Adhäsion
zwischen
der Faser und der Harzmatrix sehr gut ist; dadurch wird eine mechanische Belastung
des Formteiles auf beide Komponenten, d.h. auf die Harzmatrix und die Fasern, verteilt.
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Vorzugsweise bestehen die Bindemittel der Formmassen zu 10 bis 50
Gewichtsprozent aus Mikrofasern. Wenn weniger als 30 Gewichtsprozent Mikrofasern
eingesetzt werden, wird nur eine geringe Verstärkungswirkung erzielt. Eine Verwendung
von mehr als 50 Gewichtsprozent Mikrofasern führt wegen der relativ hohen Kosten
der Mikrofasern zu einer merklichen Verteuerung der Formmassen, ohne daß eine entsprechende
Qualtitätsverbesserung erzielt wird.
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Die Formmassen enthalten als Bindemittel bzw. Harzmatrix, worin die
Mikrofasern verteilt sind, vorzugsweise ein vorkondensiertes, vorpolymerisiertes
oder voraddiertes,organisches Harz. Solche Harze haben den Vorteil, daß sie sich
je nach dem Verformungsverfahren, dem die Formmassen unterworfen werden, hinsichtlich
des Ausmaßes der Vorvernetzung einstellen lassen. Bei diesen Verformungsverfahren,
z.B. beim Spritzgießen, wird die Vernetzung der Formmasse zum ausgehärteten Formteil
vervollständigt, d.h. je nach der Art der Vernetzungsreaktion wird die Polykondensation,
Polymerisation oder Polyaddition des organischen Harzes zu Ende geführt.
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Außer den vorgenannten Formmassenkomponenten, dem Bindemittel bzw.
der Harzmatrix und den Mikrofasern, können die Formmassen noch andere übliche Bestandteile
enthalten.
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Dazu gehören z.B. Füllstoffe oder andere Hilf sstoffe, die z.B. flüssig,
pulverig, körnig, faserig, schnitzelförmig oder schnurartig sein können. Spezielle
Beispiele hierfür sind Holzmehl, Holzfasern, Gesteinsmehl, wie Kreide, Kaolin, Glimmer,Talk
und Asbestmehl, Asbest-
fasern, Asbestschnüre, Gleitmittel, Flußmittel,
Farbstoffe , Farbpigmente und Härtungskatalisatoren.
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Insbesondere können in den Formmassen außer den Mikrofasern auch Makrofasern,
die in Formmassen bereits üblich sind und deren Abmessungen jene der Mikrofasern
überschreiten, vorliegen Die erfindungsgemäß eingesetzten Mikrofasern können auch
in üblicher Weise vorbehandelt sein, um die Haftung gegenüber dem Forminassenbindemittel
zu erhöhen. Geeignete Haftvermittler sind bekannt (z.B.
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aus GLASTECHNISCHE BERICHTE, ZEITSCHRIFT FÜR GLAS-KUNDE", Band 37
(1964), Heft 1, Seite 1 bis l5). Es handelt sich dabei z.B. um Silane oder organische
Chromkomplexe. Der Haftvermittler wird normalerweise auf die Fasern, z.B. Glasfasern,
unmittelbar bei der Faserherstellung in Form einer sogenannten "Schlichte" oder
im Rahmen einer Endbehandlung der Fasern aufgebracht.
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Es gibt auch Haftvermittler, die nicht auf die Fasern aufgetragen,
sondern als Mischungskomponente den Formmassen zugesetzt werden.
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Die Formmassen können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man während der Herstellung des der
jeweiligen Formmasse zugrunde liegenden Bindemittels bzw. der Harzmatrix Mikrofasern
in das Bindemittel bzw, die Harzmatrix oder in eine Vorstufe hiervon einmischt.
Diese
Verfahrensweise hat den Vorteil, daß man die Mikrofasern
dann einarbeiten kann, wenn das der Formmasse zugrundeliegende Bindemittel oder
Harz eine relativ niedrige Viskosität aufweist, die eine gleichmäßige Verteilung
der Fasergebilde ohne wesentliche Deformation erlaubt.
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Die Tatsache, daß erfindungsgemäß zwei- oder dreidimensionale Fasergebilde
und nicht oder nicht nur im wesentlichen geradlinig geformte Kurz fasern eingesetzt
werden, führt zu dem Vorteil, daß die Gefahr einer Entmischung der Masse aus Bindemittel
und Mikrofasern sehr gering ist.
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Die Einarbeitung der Mikrofasern bei niedriger Viskosität begünstigt
nicht nur eine gute Benetzung der Fasern mit dem Harz und damit eine erhöhte Haftung
zwischen beiden, sondern erleichtert auch die gleichmäßige Verteilung der Mikrofasern
in der Formmasse unter Vermeidung stellenweiser Faseranhäufungen.
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Beispielsweise können die Mikrofasern während der Kondensationsreaktion
eines Phenolharzes in einer Verfahrensstufe zugegeben werden, in der die Viskosität
des Harzes noch nicht zu hoch ist. Andererseits soll die Viskosität auch nicht zu
niedrig sein, um ein Entmischen des Harz-Mikrofaser-Systems zu vermeiden.
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Es ist aber nicht unbedingt erforderlich, die Mikrofasern während
der Herstellung des jeweiligen Bindemittels einzumischen. Dieses Einmischen kann
auch in einer späteren Verfahrensstufe der Formmassenherstellung geschehen.
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Jedoch ist es zweckmäßig, wenn die Mikrofasern in die Formmassen eingearbeitet
werden1 bevor andere Verstärkungs-
komponenten, z.B. Makrofasern,
der Formmasse zugeführt werden. In diesem Sinne können die erfindungsgemäßen Formmassen
auch als verbesserte Vorstufe für die Herstellung der endgültigen Formmasse betrachtet
werden, die noch weitere Verstärkungsmittel, wie sie vorstehend im Zusammenhang
mit den Zusatzstoffen genannt sind, enthält.
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Das Einmischen der Mikrofasern in das Bindemittel bzw.
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Harz der Formmasse kann z.B. mittels eines Walzenstuhls mit einer
Spaltbreite von etwa 0,5 mm oder kleiner erfolgen. Auch können die Mikrofasern z.
B. in einen Strom des niedriviskosen Harzes eingeführt werden.
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Erfindungsgemäß werden die vorgenannten Formmassen zur Herstellung
von Formteilen benutzt. Als Herstellungsverfahren kommen z.B. die üblichen Verfahren
zur Verarbeitung von Formmassen, wie Spritzgiessen, Spritzpressen und einfaches
Pressen, in Betracht.
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Das wichtigste Verarbeitungsverfahren für die hier beschriebenen Formmassen
ist das Spritzgiessen. Hier zeigt sich besonders deutlich der Vorteil des Einsatzes
von Mikrofasern, da die kleinen Abmessungen dieser Fasern bzw. der Fasergebilde
eine Aufrechterhaltung der ursprünglichen Fasergebildestruktur gewährleistet. Eine
Deformation und/oder Ausrichtung der Fasergebilde mit der Folge nicht optimaler
physikalischer Eigenschaften der gehärteten Formteile wird somit vermieden.
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Die Formmassen werden bei ihrer endgültigen Verarbeitung als Granulat
einer Spritzgießvorrichtung zugeführt, dort aufgeschmolzen und bei einer Taæratur
von etwa 1500C - 1900C
unter Druck in eine heiße Form eingespritzt.
Durch diese Wärmezufuhr wird in der Formmasse die schon vorher bis zu einem gewissen
Grad erfolgte Vernetzung vervollständigt, wobei das gewünschte ausgehärtete Formteil
gebildet wird. Die ausgehärtete Formmasse stellt dann ein duroplastisches Material
dar, das durch erneutes Erwärmen nicht mehr verflüssigt werden kann, sondern sich
bei starker Wärmezufuhr zersetzt.