DE3228989C2 - Granulierte, rieselfähige Formmassen - Google Patents

Abstract

Angegeben werden rieselfähige, Mikrofasern enthaltende Formmassen in Granulatform, insbesondere zum Spritzgiessen von Formteilen, wobei die Mikrofasern in Form von zwei- oder dreidimensionalen Fasergebilden vorliegen. Die Formmassen verbessern die physikalischen Eigenschaften der Formteile, wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit, Formbeständigkeit in der Wärme, Schrumpfbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolations fähigkeit.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofasern (A) eine maximale Dicke von 0,02 mm und eine maximale Länge von 1,0 mm sowie die Fasergebilde einen maximalen Durchmesser von 0,5 mm aufweisen und das Bindemittel zu 30 bis 50 Gewichtsprozent aus Mikrofasern besteht

2. Formmassen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofasern unter weitgehendei Vermeidung von Faserbündeln größtenteils einzeln vorliegen.

3. Formmassen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Kontakt zwischen dem Bindemittel der Formmasse und einer Mikrofaser zur Verfügung stehende Haftoberfläche der Mikrofaser mehr als das Hundertfache der Querschnittsfläche der Mikrofaser beträgt.

4. Formmassen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrofasermaterial einen größeren Elastizitätsmodul als das Bindemittel aufweist.

5. Formmassen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Bindemittel, in dem die Mikrofasern verteilt sind, ein vorkondensiertes, vorpolymerisiertes oder voraddiertes, organisches Harz enthalten.

6. Verfahren zur Herstellung der in den Ansprüchen 1 bis 5 genannten Formmassen, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Herstellung des Bindemittels in dieses oder eine seiner Vorstufen Mikrofasern einmischt.

7. Verwendung der Formmassen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung, insbesondere zum Spritzgießen von Formteilen.

Die Erfindung betrifft granulierte, rieselfähige Formmassen aus Mikrofasern in Gestalt von zwei- oder dreidimensionalen Fasergebilden, Bindemittel sowie gegebenenfalls üblichen Bestandteilen. Die Formmassen eignen sich insbesondere zum Spritzgießen von Formteilen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Formmassen und auf ihre Verwendung.

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. In chemischer Hinsicht basieren die Formmassen hauptsächlich auf Phenolharzen, Harnstoffharzen, Melaminharzen, Melamin-Phenol-Harzen, Polyesterharzen, Epoxidharzen und Diallylphthalat.

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.

Durch die weltweit steigenden Kosten für Investitionsgüter besteht ein großes Interesse an Formteilen verschiedenster Art mit einer sehr langen Lebensdauer. 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

ίο den verfügbaren Formmassen nicht hergestellt werden.

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.

Es ist auch schon von der Verwendung von Mikrofasern 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 Patent-Veröffentlichung 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.

In der Veröffentlichung »VDI-Nachrichten« 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. Über die Form der Fasern wird in dieser Druckschrift nichts ausgesagt.

Aus der AT 3 47 692 ist ein Druckgußverfahren zum Herstellen eines Gießlings aus Reaktionsharz, das Fasern als Füllstoff enthält, bekannt. In das Reaktionsharz werden als Füllstoff spiralförmige, gewellte oder gekräuselte und/oder zu Knäueln geformte Fasern eingemischt. Die Fasern haben eine Länge von 2 bis 20 mm. In der Druckschrift wird ausdrücklich betont, daß kürzere Fasern die Festigkeitseigenschaften nicht verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, granulierte, rieselfähige Formmassen aus

A. Mikrofasern in Gestalt von zwei- oder dreidimensionalen Fasergebilden,

B. Bindemittel sowie gegebenenfalls

C. üblichen Bestandteilen

anzugeben. Aus den Formmassen sollen, insbesondere durch Spritzgießen, 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 Zugfeeo stigkeit, Bruchdehnung, Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit, Formbeständigkeit in der Wärme, Schrumpfbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolationsfähigkeit.

Welche der physikalischen Eigenschaften verbessert werden soll, hängt von der besonderen Art der Verwendung der aus den Formmassen herzustellenden Formteile ab.
Außerdem sollen für die Formmassen kostengünstige

Harze einsetzbar sein und trotzdem so vorteilhafte physikalische Eigenschaften der Massen erreicht werden, wie sie sonst nur mit kostspieligen Harzen erhältlich sind.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Mikrofasern (A) eine maximale Dicke von 0,02 mm und eine maximale Länge von 1,0 mm sowie die Fasergebilde einen maximalen Durchmesser von 0,5 mm aufweisen und das Bindemittel zu 30 bis 50 Gewichtsprozent aus Mikrofasern besteht

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 Fonnteilen, welche diese besonderen Mikrofascrgebilde nicht enthalten, überlegen sind.

Die Fasergebilde weisen einen Durchmesser von verzugsweise 0,1 mm auf. Bei Beachtung des genannten maximalen Fasergebildedurchmessers bleibt auch beim Spritzgießen der Formmasse eine statistische, also unorientierte Verteilung der Fasergebilde erhalten, wie sie meist erwünscht ist.

Wenn der Faserdurchmesser z. B. 0,01 mm beträgt, entspricht die bevorzugte maximale Größe der Fasergebilde dem Fünfzigfachen dieses Faserdurchmessers. Aber auch beim Zwanzig- oder Dreißigfachen dieses Durchmessers werden noch befriedigende Ergebnisse erzielt

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

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 Längsschlitz aufweisen.

Innerhalb eines Knäuels kann die Mikrofaser relativ regelmäßig oder sehr unregelmäßig angeordnet sein. Auch ist eine Tordierung der einzelnen Fasern möglich.

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 Verfugung stehende Haftoberfläche der Mikrofaser verschieden groß. Im allgemeinen sind Mikrofasern um so mehr bevorzugt, je länger der Querschnittsumfang bzw. je größer die genannte Haftoberfläche ist.

Hinsichtlich ihrer chemischen Natur kommen sehr unterschiedliche anorganische und organische Mikrofasern in Frage.

Anorganische Fasern sind z. B. Mineralfasern aus Asbest oder Calciumaluminiumsilicat, Glasfasern oder Fasern aus Kohlenstoff, wie Graphit, oder Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, 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).

Es können auch Gemische aus Fasern der vorgenannten Art verwendet werden, was meistens zu bevorzugen ist.

Das Granulat, in der die Formmassen vorliegen, weist eine übliche Korngröße auf. Vorzugsweise liegt die Korngröße bei etwa 2J5 mm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegen die Mikrofasern unter weitgehender Vers meldung 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 gleichzeitig bei einem gegebenen Verstärkungsgrad we-

to niger 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

Es hat sich auch als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die für den Kontakt zwischen dem Bindemittel der Formmasse und einer Mikrofaser zur Verfugung stehende Haftoberfläche der Mikrofaser 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. Insgesamt führt dies zu günstigeren mechanischen Eigenschaften des Formteils.

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. bei längsgeschlitzten Hohlfasern oder Fasern mit einem Querschnitt in Form eines flachen Rechtecks) kann das genannte Verhältnis von Haftoberfläche zu Querschnittsfläche ca. 150 bis 230, in Sonderfällen sogar über 250, betragen. Mikrofasern mit derart großen Haftoberflächen sind besonders günstig.

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. Dieses Volumenverhältnis kann aber bei anderen Wendeln auch Werte außerhalb des genannten Bereichs annehmen. Dies hängt von der Anzahl der Gänge der Wendel und ihrem gegenseitigen Abstand ab, wofür im Rahmen der Erfindung ein großer Spielraum gegeben ist.

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 gehärtete Formteil die verstärkende Faser die umgebende Harzmatrix möglichst entlasten, also selbst eine möglichst hohe Spannung bei möglichst geringer Verformung aufnehmen soll. Dies wird am besten dadurch erreicht, daß die Faser einen höheren Elastizitätsmodul als die zu verstärkende Harzmatrix hat. Gleich-

zeitig 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 Fonnteiles auf beide Komponenten, d. h. auf die Harzmatrix und die Fasern, verteilt

Die Bindemittel der Formmassen bestehen zu 30 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 Qualitätsverbesserung erzielt wird.

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 Verformungsveffahren, 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

Außer den vorgenannten Formmassenkomponenten, dem Bindemittel bzw. der Harzmatrix und den Mikrofasern, können die Formmassen noch andere übliche Bestandteile enthalten. Dazu gehören z. B. Füllstoffe oder andere Hilfsstoffe, die z. B. flüssig, pulverig, körnig, faserig, schnitzeiförmig oder schnurartig sein können. Spezielle Beispiele hierfür sind Holzmehl, Holzfasern, Gesteinsmehl, wie Kreide, Kaolin, Glimmer, Talk und Asbestmehl, Asbestfasern, Asbestschnüre, Gleitmittel, Flußmittel, Farbstoffe, Farbpigmente und Härtungskatalysatoren.

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 Formmassenbindemittel zu erhöhen. Geeignete Haftvermittler sind bekannt (z. B. aus »GLASTECHNISCHE BERICHTE, ZEITSCHRIFT FÜR GLASKUNDE«, Band 37 (1964), Heft 1, Seite 1 bis 15). 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.

Es gibt auch Haftvermittler, die nicht auf die Faisern aufgetragen, sondern als Mischungskomponente den Formmassen zugesetzt werden.

Die Formmassen können nach dem ertindungsgemäßen 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

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.

Beispielsweise können die Mikrofasern während der Kondensationsreaktion eines Phenolharzes in einer

ίο 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. Es ist aber nicht unbedingt erforderlich, die Mikrofa sern während der Herstellung des jeweiligen Bindemit teis einzumischen. Dieses Einmischen kann auch in einer späteren Verfahrensstufe der Formmassenherstellung geschehen. Jedoch ist es zweckmäßig, wenn die Mikrofasern in die Formmassen eingearbeitet werden, bevor andere Verstärkungskomponenten, 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 Ver- Stärkungsmittel, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit den Zusatzstoffen genannt sind, enthält

Das Einmischen der Mikrofasern in das Bindemittel bzw. Harz der Formmasse kann z. B. mittels eines Walzenstuhls mit einer Spaltbreite von etwa 03 mm oder kleiner erfolgen. Auch können die Mikrofasern z. B. in einen Strom des niedrigviskosen Harzes eingeführt werden.

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. 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 gewährleisten.

Eine Deformation und/oder Ausrichtung der Fasergebilde mit der Folge nicht optimaler physikalischer Eigenschaften der gehärteten Formteile wird somit vermieden. Die Formmassen werden bei ihrer endgültigen Verar beitung als Granulat einer Spritzgießvorrichtung zuge führt, dort aufgeschmolzen und bei einer Temperatur von etwa 15O⁰C-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 Wär mezufuhr zersetzt

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Granulierte, rieselfähige Formmassen aus

A. Mikrofasern in Gestalt von zwei- oder dreidimensionalen Fasergebilden,
S. Bindemittel sowie gegebenenfalls
C üblichen Bestandteilen,