DE3737793C3 - Formteil aus warmverpreßten bindemittelhaltigen Wirrfaservliesmatten und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Formteile aus in der Wärme verpreßten Wirrfaservliesen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Die Wirrfaservliese bestehen dabei überwiegend aus Zellulose- oder Lignozellulosefasern, sie ent­ halten zwischen 10 und 30% Bindemittel bei denen es sich teils um Bindemittel handeln kann, die in der Wärme erweichen und teils um solche, die vernetzend wirken.

Die zunächst lose verdichteten Faservliesmatten werden in der Wärme zu Formteilen verpreßt und bei diesem Vorgang verdichtet und ausgeformt. Beispielsweise finden solche Formteile als Innenverkleidungen von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen in großem Maße Verwendung. Vor dem Verformen und Verdichten, dem Verpreßvorgang also, werden die Wirrfaservliese in der Regel durch eine Dampfbehandlung plastifi­ ziert und gegebenenfalls kalt vorgeformt, bevor sie dann bei Temperaturen oberhalb 160°C end­ gültig zum Formteil endverpreßt werden.

Qualitätsverbessernde Weiterentwicklungen bei der­ artigen Formteilen beinhalten insbesondere Versuche, die Dichte und damit das Gewicht der Teile ohne Stabilitätsverluste zu reduzieren. Bisher unter­ nommene Dichtereduzierungen hatten jedoch bei diesen hier interessierenden Werkstoffen insofern nach­ teilige Auswirkungen auf die Qualität des Formteils als dessen mechanische Kennwerte, vor allem jedoch ihr Wasseraufnahmevermögen sich erheblich ver­ schlechtert. Die mit der Wasseraufnahme zwangs­ läufig verbundenen Werkstoffquellungen müssen jedoch für Formteile wie sie mit erhöhten Qualitäts­ anforderungen als Innenverkleidungen von PKW's Anwendung finden, unbedingt vermieden werden. Die steigende Wasseraufnahme und damit sich verschlech­ ternde Maßstabilität durch den Quellvorgang zeigte sich insbesondere dort, wo Formteile geringerer Dichte durch einen verringerten Verpressungsgrad her­ zustellen versucht worden sind. Die Reduzierung der Dichte eines Faserwerkstoffes bei der Verpressung ist zwangsläufig etwa umgekehrt proportional der Vergrößerung der Porenvolumen beim endverpreßten Formteil. Vergrößertes Porenvolumen wiederum be­ deutet zwangsläufig ein vergrößertes Volumen für die Möglichkeit der Wasseraufnahme.

Aus der DE-OS 31 27 846 ist es bekannt, den Bindemitteln der Fasermatte zur Reduzierung der Dichte des fertigen Formteiles ohne Beeinträchtigung der Festigkeit ein Schaum­ treibmittel hinzuzufügen. Dies erfolgt dadurch, daß das pulverförmige Schaumtreibmittel mit den ebenfalls pulver­ förmigen Bindemitteln zunächst intensiv vorgemischt und dann dieses Pulvergemisch bei der Fasermattenbildung zwischen die Fasern gestreut wird. Die Zersetzungstempera­ tur des Schaumtreibmittels ist dabei so gewählt, daß sie erst beim warmen Endverpressen der Fasermatte zum endgülti­ gen Formteil erreicht wird (Verpressungstemperaturen ca. 160-180°, Zersetzungstemperatur etwa 165°C).

In dieser Offenlegungsschrift wird die Wirkung des Treib­ mittels in der Mischung der pulverisierten Bindemittel in der Weise beschrieben, daß bei der Weiterverarbeitung der Matte zum Formteil, der bei Temperaturen von 180°C und mehr erfolgt, die Gasabspaltung, d. h. der Treibvorgang stattfindet. Hierdurch soll das erweichte Bindemittel nicht nur aufgrund des von außen wirkenden, sondern auch aufgrund des inneren Druckaufbaues gleichmäßig innerhalb des Faser­ verbundes verteilt werden. Der Sinn des Treibmittels besteht also darin, eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Bindemittels im Faserverbund zu erreichen, durch die die in der Wirrfaservliesmatte befindlichen Bindemittel optimaler genutzt werden können, so daß mit der abnehmenden Formteildichte keine nennenswerte Einbuße an mechanischer Festigkeit verbunden ist.

In die gleiche Richtung zielt die DE-OS 34 12 660: Hier wird ein Schaumtreibmittel in ein pulverförmiges thermopla­ stisches Bindemittel eingearbeitet, das an seiner Oberflä­ che zusätzlich mit duroplastischen Bindemittelkomponenten beschichtet ist. Im Gegensatz zur DE-OS 31 27 846 wird hier das Treibmittel jedoch schon bei der thermischen Plastifi­ zierung der Fasermatte durch Dampf aktiviert. (Mit diesem Vorgehen ist der große Vorteil verbunden, daß die Vertei­ lung des Bindemittels durch das aktivierte Treibmittel in einem Stadium erfolgt, in dem noch kein äußerer Druck auf die Matte ausgeübt wird, der diese Verteilung behindert.) Aber auch den in der DE-OS 34 12 660 aufgeführten Maßnahmen liegt die Aufgabe zugrunde: "Durch die an sich bekannte Anwendung eines Treibmittels als Zusatz zu der Bindemittel­ kombination von Matten aus fasrigem Material die Bindemit­ telverteilung innerhalb der Matten zu optimieren, sowie die Verformungsfähigkeit der Matten im durch die Heißdampf­ behandlung thermisch konditionierten Zustand zu verbes­ sern."

Auch an anderer Stelle (DE-PS 31 50 906) wird darauf hinge­ wiesen, daß die Zugabe von Schaumtreibmitteln zu den Binde­ mitteln von Matten aus fasrigem Material aufgabengemäß dazu führt, "daß sich Formteile mit verbesserten thermischen und akustischen Dämmeigenschaften mit gleichmäßigerer Kunst­ harzverteilung herstellen lassen".

Faßt man zusammen, so führt das Verwenden von Schaumtreib­ mitteln im Zusammenhang mit den für die Faservliesmatten­ herstellung verwendeten Bindemitteln vor allem zu einer verbesserten Verteilung dieser Bindemittel innerhalb der Faserstruktur, wodurch sich Formteile mit geringerem spezi­ fischen Gewicht bei nahezu unveränderten mechanischen Festigkeitswerten herstellen lassen.

Völlig außer acht bleibt bei dieser Vorgehensweise jedoch der Gesichtspunkt der Wasseraufnahme derartiger Formteile. Das Verhalten gegen Feuchtigkeit ist aber für diese Werk­ stoff- und Produktgruppe im Fahrzeugbau von ausschlaggeben­ der Bedeutung, da derartige Formteile stark schwankenden Luftfeuchtigkeiten, Spritz- und Schwitzwasserangriffen aus­ gesetzt sind. Diesbezüglich sind alle bislang im Schrifttum vorgeschlagenen Lösungswege für Faserformteile geringerer Dichte unbefriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Formteile der gattungsgemäßen Art mit möglichst geringem Flächengewicht vorgeben zu können, deren Verhalten gegen­ über Feuchtigkeitsaufnahme so gut oder besser ist, als das Feuchtigkeitsverhalten vergleichbarer Formteile größerer Dichte, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Formteile anzugeben.

Die Erfindungsaufgabe wird bezüglich der Formteile durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 4 geben vorteilhafte Weiterbildungen an. Bezüglich des Herstellungsverfahrens erfindungsgemäßer Formteile entspricht die Aufgabenlösung dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 5. Die Ansprüche 6 und 7 geben auch hier vorteilhafte Weiterbildungen an.

Dadurch, daß das Porenvolumen des Formteiles zumindest in seinem überwiegenden Teil mit einem gegen Wasseraufnahme resistenten Kunststoffschaum geringer Dichte gefüllt ist, wird die Wasseraufnahme des Werkstoffes im Porenvolumen nahezu vollständig unterbunden. Die Wasseraufnahme des Werkstoffes (Formteiles) beschränkt sich auf die Aufnahme­ kapazität der Fasern selbst und wird somit unabhängig von der Dichte des Formteiles. Dadurch, daß Schäume geringer Dichte verwendet werden, kann der Anteil des Schaumes an der Dichte des Formteiles nahezu vernachlässigt werden. Dies gilt vor allem dann, wenn das Raumgewicht des Füll­ schaumes kleiner als 150 N/m³. Dabei hat es sich heraus­ gestellt, daß höhere Raumgewichte der verwendeten Füll­ schäume keinen Produktvorteil bieten.

Die Verwendung von Füllschäumen zum Ausfüllen des Poren­ volumens ist bezüglich der Wasseraufnahme nur dann wir­ kungsvoll, wenn geschlossenporige Schäume zur Anwendung kommen. Die Tatsache, daß die auszufüllenden Poren jeweils nur ein sehr kleines Volumen umfassen, hat zur Folge, daß sich geschlossenporige Schäume nur unvollkommen entwickeln, und demzufolge ihre Funktion als Feuchtigkeitssperre unvollkommen ist. Es kann daher außerordentlich vorteilhaft sein, wenn der Schaum im Mikrobereich der Poren von Kunst­ stoffmembranen zellenförmig umschlossen ist.

Der Gewichtsanteil des Schaumes am gesamten Matten- bzw. Formteilgewicht ist wenn Schäume des beschriebenen niedri­ gen Raumgewichtes verwendet werden - außerordentlich nie­ drig. In der Praxis werden schon mit Gewichtsanteilen von weniger als 1% befriedigende Ergebnisse erreicht, ein Gewichtsanteil von 3% des Füllschaumes reicht in jedem Falle zur Erfüllung der Erfindungsaufgabe aus.

Der bisherige Stand der Technik auf diesem Gebiet ist dadurch gekennzeichnet, daß die vorliegende Erfindungsauf­ gabe durch das Zumischen von Schaumtreibmitteln zu den Bin­ demittelanteilen der Matte nicht zu lösen war. Gleiches gilt für das Einarbeiten des Schaumtreibmittels in pulver­ förmige Bindemittel direkt. Dem erfindungsgemäßen Formteil muß daher gleichrangig auch ein entsprechend praktizierba­ res Herstellungsverfahren für derartige Formteile zugeord­ net werden. Ein sehr einfaches Herstellungsverfahren erfin­ dungsgemäßer Formteile besteht darin, daß Wirrfaservlies­ matten zu Formteilen verpreßt werden, an deren Einzelfasern Blähkörper in gleichmäßiger Verteilung angelagert sind, die aus einer thermoplastisch verformbaren Hülle und einem in der Wärme aufschäumbaren Kern bestehen. In diesem Falle enthält die Wirrfaservliesmatte bereits im ganzen Volumen gleichmäßig verteilt den späteren Füllschaum. Dadurch, daß dieser Füllschaum in einer thermoplastisch verformbaren Hülle untergebracht ist, ist gleichzeitig die Voraussetzung dafür gegeben, daß die Blähkörperhüllen nach der Expansion der Blähkörper ein membranartiges Zellennetzwerk bilden, und somit als zusätzliche Feuchtigkeitssperre wirken. Der in der Wärme auftreibbare Kern der Blähkörper wird dabei erst bei dem warmen Verpressen der Matte zu Formkörpern aktiviert, d. h. erst dann, wenn die Werkstoffporen nach Größe und Geometrie schon fertig ausgebildet sind. Die expandierenden Blähkörper finden dann hinreichenden Ausdeh­ nungswiderstand, und werden so zu einer weitgehend voll­ ständigen Ausfüllung des Porenvolumens gezwungen.

Besonders wichtig für die Lösung der Erfindungsaufgabe ist die gleichmäßige Verteilung der Blähkörper über das Volumen der Fasermatte. Dies ist produktionstechnisch am besten dann zu erreichen, wenn die Blähkörper direkt in gleichmäßiger Ver­ teilung an die Fasern angelagert sind. In umfangreichen Vorversuchen hat sich jedoch herausgestellt, daß dies nur dann befriedigend möglich ist, wenn Blähkörper verwendet werden, die bei kugelförmiger Gestalt einen kleineren Durchmesser als 0,002 mm besitzen. Blähkörper größeren Durchmessers (Durchmesser von 0,2 mm und mehr) ergeben unbefriedigende Verteilungen im Mattengefüge. Auch die übrigen Eigenschaften der Blähkörper müssen auf das nach­ folgende Herstellungsverfahren der Formteile abgestimmt sein: Die Erweichungstemperatur der thermoplastisch ver­ formbaren Hülle der Blähkörper sollte in jedem Falle größer als 80°C sein, die optimale Aufschäumungstemperatur größer als 120°C. Bei diesen Aufschäumungsbedingungen bleibt es weiterhin möglich, die Wirrfaservliesmatten mit Dampf zu plastifizieren und in ihren Verformungseigenschaf­ ten zu verbessern, ohne daß die Blähkörper vorzeitig akti­ viert werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Blähkörper eine möglichst hohe Volumenvergrößerung besit­ zen. Gute Ergebnisse wurden dann erhalten, wenn die Volu­ menvergrößerung der Blähkörper mehr als das Hundertfache ihres Anfangsvolumens betrug. Die Anwendung des Erfindungs­ gedankens in der Praxis wird dadurch begünstigt, daß geeignete Blähkörper, die den beschriebenen Kriterien weit­ gehend entsprechen, als Fertigprodukte handelsüblich sind - beispielsweise unter der Bezeichnung Folco Microballons, Typ FQ 9004 oder FQ 2127NZ. Insbesondere die zweite Type eignet sich infolge ihrer höheren Temperaturwerte besonders gut für die Realisation des Erfindungsgedankens.

Obwohl nur geringe Mengen von Blähkörpern benötigt werden (weniger als 2 Gewichtsprozent) lassen sie sich dann in guter, gleichmäßiger Verteilung an die Fasern des Wirrfa­ servlieses anlagern, wenn sie zuvor in einem flüssigen Bin­ demittel dispergiert werden, mit dem dann die Beleimung der Fasern des Mattenvlieses vor der eigentlichen Mattenbildung erfolgt. Durch die Trocknung der Fasern nach der Beleimung und vor der Mattenbildung werden die mit der Beleimungs­ flotte an die Faseroberflächen transportierten Blähkörper fixiert, so daß sich bei der anschließenden Mattenbildung keine Entmischungserscheinungen mehr einstellen können. Die Reproduzierbarkeit der Formteileigenschaften läßt sich unter diesen Bedingungen mit guter technischer Genauigkeit sicherstellen.

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß es besonders zweck­ mäßig ist, wenn das Aktivieren der Blähkörper erst beim eigentlichen Verpressen der Matte zum Formteil erfolgt. Um dies sicherzustellen, muß darauf geachtet werden, daß die thermische Plastifizierung des Faservlieses durch Dampfbe­ handlung bei Temperaturen erfolgt, die niedriger sind als die optimale Aufschäumtemperatur der Blähkörper. Bei den angeführten Fertigprodukten, bei denen die optimalen Auf­ schäumtemperaturen deutlich über 100°C liegen, läßt sich dies ohne weiteres erreichen.

Claims (7)

1. Formteil aus warmverpreßten, bindemittelhaltigen Zellulose- und/oder Lignozellulose-Wirrfaser­ vliesmatten, mit einem eine mittlere Dichte <0,9 g/cm³ vorgebenden Porenvolumen, dadurch gekennzeichnet, daß das im fertigen Formteil zwischen dem Wirrfasermaterial verbliebene Porenvolumen zumindest zum überwiegenden Teil mit einem gegen Wasseraufnahme resistenten geschlossenporigen Kunststoffschaum geringer Dichte, der aus Blähkörpern mit einer thermoplastisch verformbaren Hülle und einem in der Wärme aufschäumenden Kunststoffkern erhalten wurde, ausgefüllt ist.

2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumgewicht des porenfüllenden Kunststoffschaumes <150 N/m³ ist.

3. Formteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum im Mikroporenbereich Kunststoff­ membranen bildet, die eine zellenförmige Unterteilung vorgeben.

4. Formteil nach wenigstens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewichtsanteil des Schaumes bezogen auf das Gewicht des fertigen Formteiles <3%, vorzugsweise <2%, ist.

5. Verfahren zum Herstellen von Formteilen nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei dem bindemittel­ haltige Wirrfaservliesmatten aus bindemittel­ haltigen Zellulose- und/oder Lignozellulose­ fasern in einem ersten Schritt gebildet werden, bei dem aus diesen Wirrfaservliesmatten nach entsprechendem Zuschnitt und nach einer die Fasermatten plastifizierenden Dampfbehandlung die erfindungsgemäßen Formteile durch Druck- und Temperaturanwendung geformt und verdichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß Blähkörper, die aus einer thermoplastisch verformbaren Hülle und einem in der Wärme auf­ schäumenden Kunststoffkern bestehen, in ein flüssiges Bindemittel dispergiert werden, daß die Fasern, aus denen die Wirrfaservliesmatte gebildet wird, vor der Herstellung des Matten­ vlieses mit dieser Dispersion beleimt werden, daß danach die Blähkörper durch Trocknen des flüssigen Bindemittels auf den Einzelfasern in gleichmäßiger Verteilung fixiert werden und daß die so appretierten Fasern zum Matten­ vlies gestreut werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß kugelförmige Blähkörper mit einem Durchmesser <0,002 mm an die Fasern ange­ lagert werden, bei deren Erweichungs­ temperatur <80°C, die optimale Auf­ schäumungstemperatur des Kerns <120°C ist und die Volumenvergrößerung der Blähkörper unter diesen Bedingungen mehr als das Hundertfache beträgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermische Plastifizierung der Wirrfaservliesmatten vor dem Verpressen zum Formteil durch Dampfbe­ handlung bei Temperaturen erfolgt, die niedriger sind als die optimale Aufschäum­ temperatur der Blähkörper.