DE3734296A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von faserverstaerkten thermoplastplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von faser­ verstärkten Thermoplastplatten, bei dem die Imprägnierung der Fasern mit dem ge­ schmolzenen Thermoplasten und die anschließende Abkühlung der imprägnierten Platten getrennt voneinander erfolgen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die kontinuierliche Herstellung von glasfaserverstärkten Thermoplastbahnen wird beispielsweise in der DE-PS 23 12 816 beschrieben, wobei vorerwärmte Glas­ fasermatten mit der aus der Breitschlitzdüse eines Extruders extrudierten Thermo­ plastschmelze zusammengeführt und miteinander unter gleichzeitiger Abkühlung verpreßt werden. Ein Verfahren zur Herstellung glasfaserverstärkter Thermo­ plastbahnen ist auch aus der DE-PS 29 48 235 bekannt, bei dem eine über eine Breitschlitzdüse extrudierte Thermoplastschmelze gemeinsam mit Glasfasermatten zwischen die Bänder einer Doppelbandpresse geführt wird, in der sowohl die Imprägnierung der Matten mit dem Thermoplasten, als auch die Abkühlung und Verfestigung der imprägnierten Bahnen erfolgt. Imprägnierung und Abkühlung erfolgen hier zwar in zwei verschiedenen Zonen, doch besitzen die beiden bekann­ ten Verfahren den Nachteil, daß aufgrund des beträchtlichen Wärmeüberganges zwischen Imprägnier- und Kühlzone innerhalb der Presse keine ausreichende Kontrolle des Abkühlvorganges möglich ist, und daß aufgrund der dadurch bedingten mangelhaften Kühlung nur eine geringe Produktionsgeschwindigkeit aufrecht er­ halten werden kann.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile auszuschalten und ein Verfahren zu finden, bei dem vor allem eine effiziente Kontrolle des Abkühlvor­ ganges, eine bessere Kühlung und eine Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit ermöglicht wird.

Die Lösung der Aufgabe bestand darin, daß lmprägnierung und Abkühlung exakt getrennt voneinander durchgeführt werden, und daß die Platten während der Imprägnierung und Abkühlung zwischen Trennfolien geführt werden.

Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstel­ lung von mit Fasern verstärkten Thermoplastplatten durch Imprägnieren von Fasermatten, Faserrovings oder Geweben mit der Schmelze eines thermoplasti­ schen Kunststoffes in einer Laminierzone und anschließendes Abkühlen der dabei erhaltenen imprägnierten Platte in einer Kühlzone bis zur Verfestigung des Kunststoffes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Laminierzone und Kühlzone derart voneinander getrennt sind, daß außer über die imprägnierte Platte kein wesentlicher Wärmeübergang von der heißen Laminierzone auf die Kühlzone erfolgt, und daß die imprägnierte Platte beidseitig mit einer Trennfolie abgedeckt ist, die nach Verlassen der Kühlzone gegebenenfalls wieder von der Platte abgezogen wird.

Zur Verstärkung können Fasermatten, Faserrovings, Gewebe oder ähnliche flächen­ förmige Fasergebilde verwendet werden. Es können alle bekannten Verstärkungs­ fasern eingesetzt werden, bevorzugt sind Glasfasern oder Glasfäden, wobei übli­ cherweise ein Glasgehalt von 5-60 Gew.% im fertigen Verbund vorliegt. Bei höheren Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des Verbundes, insbe­ sondere wenn gleichzeitig ein geringes spezifisches Gewicht gefordert ist, kann auch der Einsatz anderer Fasern, wie beispielsweise Kohle- oder Aramidfasern und -fäden, bzw. entsprechend den Anforderungen an die Eigenschaften des Verbundes, die Verwendung von verschiedenen Fasern im Verbundwerkstoff von Vorteil sein. Gleichfalls möglich ist die Verwendung anderer Synthesefasern, soweit deren Schmelzpunkt höher als jener des Matrix-Kunststoffes liegt, die Verwendung von natürlichen Fasern, wie z.B. Jute, sowie die Verwendung von Fasern aus Keramik, Metall oder anderen anorganischen und/oder organischen Materialien.

Im Faserroving liegen gerichtete, parallele Endlosfäden vor, die Fasermatten können aus Schnittfasern mit Längen von etwa 10-250 mm oder aus zu einem Vlies abgelegten Endlosfäden bestehen, die sowohl gerichtet als auch in Wirrlage vorliegen können. Die Verfestigung der Fasermatten erfolgt vorzugsweise mecha­ nisch, beispielsweise durch Vernadeln, Vernähen oder Versteppen. Gemäß Erfindung können sämtliche thermoplastischen, thermoplastisch verarbeitbaren bzw. schmelz­ baren Kunststoffe wie beispielsweise Polyolefine, Polyamide, ABS-Kunststoffe, Polyester, Polycarbonate, Polyurethane, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Po­ lysulfone oder Polyimide verwendet werden. Bevorzugt wird Polypropylen einge­ setzt, wobei sowohl Homopolymere als auch Copolymere, beispielsweise mit Ethylen oder mit ungesättigten Carbonsäuren in Frage kommen.

Der verwendete Thermoplast wird mit den üblichen Additivs bevorzugt in einem Extruder aufgeschmolzen, über eine Breitschlitzdüse als Schmelzefilm extrudiert und gemeinsam mit einer oder mehreren Verstärkungsbahnen aus Fasermatten, Geweben, Rovings oder ähnlichen flächenförmigen Fasergebilden, die gegebenfalls vorgewärmt sein können, einer kontinuierlichen Presse, besonders bevorzugt einer Doppelbandpresse, zugeführt. Hier werden die Verstärkungsbahnen bei Temperatu­ ren, die üblicherweise 20-50°C über dem Schmelzpunkt des Thermoplasten liegen, und Drucken von 1 bis 20 bar mit der Schmelze imprägniert. Es ist gleichfalls möglich, den Thermoplasten in Form einer Folie oder in Pulverform auf die Verstärkungsbahn aufzubringen und diese der kontinuierlichen Presse zuzuführen. Üblicherweise wird die Folie oder das Thermoplastpulver dabei in der Laminierzone der Presse aufgeschmolzen und die Verstärkungsbahn mit der Thermoplastschmelze unter Druck imprägniert. Der Aufschmelzvorgang kann jedoch auch schon vor dem Eintritt in die Presse durch Hindurchführen der Bahnen durch eine Heizzone, beispielsweise einen Heißluftofen oder ein IR-Feld, erreicht werden.

Die mit dem schmelzflüssigen Thermoplasten imprägnierte Verstärkungsbahn ver­ läßt die Laminierzone ohne Kühlung und muß zur Verfestigung in einer an­ schließenden Kühlzone abgekühlt werden. Zur Vermeidung von unkontrollierten Wärmeübergängen müssen erfindungsgemäß der Imprägniervorgang und der Kühl­ vorgang exakt getrennt voneinander ablaufen. Um eine optimale Führung der imprägnierten Platte sicherzustellen, um ein Kleben an den Preßblechen zu verhindern und um ein eventuelles Aufquellen der zusammengedrückten Fasern nach dem Verlassen der Laminierzone zu vermeiden, wird die Platte vor dem Eintritt in die Presse beidseitig mit einer Trennfolie abgedeckt. Die Trennfolien können nach dem Abkühlen der Platte wieder abgezogen oder als Schutzfolie auf dieser belassen werden. Werden Trennfolien aus Thermoplasten verwendet, so muß deren Schmelzpunkt höher als der Schmelzpunkt des Plattenmaterials liegen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die im wesentlichen aus einer Laminiereinrichtung, in der unter Druck die Imprägnierung der Verstärkungsbahnen mit den Thermoplasten erfolgt, und einen vor dieser räumlich getrennten Kühleinrichtung, in der unter Druck die Verfestigung der imprägnierten Platte erfolgt, besteht. Die räumliche Trennung zwischen Laminier- und Kühleinrichtung muß dabei derart exakt und vollständig sein, daß außer über die imprägnierte Verbundplatte praktisch kein Wärmeübergang zwischen den beiden Zonen erfolgt.

Die beispielsweise aus der DE-PS 29 48 235 bekannte Doppelbandpresse besitzt zwar ebenfalls eine Laminier- und eine Kühlzone, doch sind diese beiden Zonen innerhalb der selben Maschine angeordnet und über die Teile der Maschine, vor allem über das umlaufende Stahlband und das Maschinengehäuse miteinander ver­ bunden. Dadurch tritt ein unerwünschter, unkontrollierter und energetisch sehr nachteiliger Wärmefluß zwischen den beiden Zonen auf. Im Gegensatz dazu erlaubt die erfindungsgemäße, exakte räumliche Trennung von Laminier- und Kühlzone eine sehr effiziente Kühlung, wobei die Abkühlraten genau definiert und kontrolliert werden können. Dadurch sind einerseits höhere Produktionsgeschwindigkeiten mög­ lich, andererseits können genau definierte Abkühlraten entsprechend den jeweiligen Eigenschaften des verwendeten Thermoplasten gewählt werden, womit eine opti­ male Verfahrensführung gewährleistet ist. Erfindungsgemäß ist es beispielsweise bei der Herstellung von faserverstärkten Polyethylenterephthalatplatten möglich, nach der lmprägnierung schockartig abzukühlen, wobei die Kristallisation verhin­ dert und das Material in der amorphen Phase bleibt. Die Umformung zum Fertigteil ist dann auch bei tiefen Temperaturen, also ohne zusätzliches Aufheizen möglich.

Eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit räumlicher Trennung von Laminier- und Kühlzone sind beispielsweise zwei separate, hinter­ einander angeordnete Doppelbandpressen, wobei in der ersten, beheizten Presse die Imprägnierung und in der zweiten, gekühlten Presse die Abkühlung erfolgt. Bevorzugt wird eine Vorrichtung, die aus einer Doppelbandpresse zur Imprägnierung und Laminierung der Verstärkungsbahnen und aus einer nachgeschalteten Kühl­ walzenanordnung oder einem Kühlkalander zur Abkühlung der Platten besteht. Werden profilierte Kalanderwalzen verwendet, dann können sehr wirtschaftlich in einem Arbeitsgang beispielsweise faserverstärkte Thermoplastprofile hergestellt werden.

Besonders vorteilhaft und wirtschaftlich ist die Kombination von Imprägnierung und Laminierung auf einer Doppelbandpresse und anschließende Abkühlung unter gleich­ zeitigem Formpressen auf einer nachgeschalteten in-line Taktpresse. Dabei können auch großflächige Umformteile sehr energiesparend in einem Arbeitsgang ge­ fertigt werden. Die vorgeformten Fertigteile können gegebenenfalls gleichzeitig ausgestanzt werden.

Beispiel 1

Zwei Glasfasermatten mit einem Flächengewicht von 300 g/m² wurden mit jeweils einer oberhalb und einer unterhalb der Glasfasermatten mitgeführten 0,04 mm dicken Trennfolie aus Polyamid einer Doppelbandpresse zugeführt. Zwischen die Glasfasermatten wurde aus einer Breitschlitzdüse ein 1,2 m breiter Schmelzefilm aus Polypropylen (Homopolymer, Meltflow Index 16-20 g/10 min bei 230°C und 2,16 kg) mit einer Temperatur von 235°C und einem Flächengewicht von 1120 g/m² extrudiert. Die Imprägnierung der Glasfasermatte mit dem Polpropylen erfolgte in einer 9,5 m langen Laminierzone bei einer Temperatur von 200°C, einem Druck von 4 bar und einer Bandgeschwindigkeit von 8 m/min. Die Ver­ weilzeit in der Doppelbandpresse betrug 1,19 min. Die die Doppelbandpresse mit einer Temperatur von 200°C verlassende Verbundplatte gelangte anschließend in einen Kühlkalander mit zwei Kühlwalzen von 800 mm Durchmesser, wo sie auf ca. 80°C abgekühlt wurde. Die Verweilzeit am Kühlkalander betrug 0,31 min. Die erhaltene Verbundplatte mit einer Dicke von 1,5 mm wurde nach Abziehen der Trennfolie in Platten geschnitten.

Vergleichsbeispiel

Zwei Glasfasermatten, zwei Trennfolien und ein Polypropylen-Schmelzefilm wur­ den analog zu Beispiel 1 der Doppelbandpresse zugeführt. Die Imprägnierung der Glasfasermatten erfolgte jedoch in einer nur 6 m langen Laminierzone, während die Abkühlung in der anschließenden 3,5 m langen Kühlzone innerhalb der Doppelband­ presse erfolgte. Um eine ausreichende Abkühlung zu erzielen und dabei eine ausreichend verfestigte Verbundplatte zu erhalten, mußte die Bandgeschwindigkeit auf 3,5 m/min reduziert werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mit Fasern verstärkten Thermo­ plastplatten durch Imprägnieren von Fasermatten, Faserrovings oder Geweben mit der Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffes in einer Laminierzone und anschließendes Abkühlen der dabei erhaltenen imprägnierten Platte in einer Kühlzone bis zur Verfestigung des Kunststoffes, dadurch gekennzeichnet, daß Laminierzone und Kühlzone derart voneinander getrennt sind, daß außer über die imprägnierte Platte kein wesentlicher Wärmeübergang von der heißen Laminierzone auf die Kühlzone erfolgt, und daß die imprägnierte Platte beidseitig mit einer Trennfolie abgedeckt ist, die nach Verlassen der Kühlzone gegebenenfalls wieder von der Platte abgezogen wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Thermoplastplatten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff Polypropylen ist.

3. Verfahren zur Herstellung von Thermoplastplatten gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verstärkung eingesetzten Fasern Glas­ fasern sind.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend im wesentlichen aus einer die Laminierzone bildenden Laminier­ einrichtung, in der die Imprägnierung der Fasermatten, Faserrovings oder Gewebe erfolgt, und einer die Kühlzone bildenden Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß Laminiereinrichtung und Kühleinrichtung derart voneinan­ der getrennt sind, daß außer über die imprägnierte Platte kein wesentlicher Wärmeübergang von der Laminiereinrichtung auf die Kühleinrichtung erfolgt.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminier­ einrichtung aus einer Doppelbandpresse und die Kühleinrichtung aus Kühlwalzen besteht.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminierein­ richtung aus einer Doppelbandpresse und die Kühleinrichtung aus einer Takt­ presse besteht.