DE3825987C2 - Formbare und verdichtungsfähige Fasermatte mit Treibmittelzusatz zum Herstellen von Formteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft formbare und verdichtungsfähige Fasermatten zum Herstellen von Formteilen durch Anwendung von Druck und Wärme, bestehend aus zwei bindemittelhaltigen Faservliesdeckschichten und einer die Deckschichten verbindenden bindemittelhaltigen Mittelschicht mit einem überwiegenden Anteil aus Zellulose- und/oder Lignozellulosefasern, wie sie aus der DE 32 33 385 A1 bekannt sind.

Bei der Herstellung von räumlich verformten Preßteilen, wie sie beispielsweise als Innenverkleidung von Kraftfahrzeugen Anwendung finden, haben sich Matten bzw. Halbzeuge der beschriebenen Art aus vielerlei Gründen als besonders vorteilhaft erwiesen. Der Verformungsvorgang selbst ist jedoch schwierig, da das Material relativ voluminös ist und während des Verformungsablaufs nur in sehr begrenztem Umfang Stauch- oder Zugkräfte aufgenommen werden können.

Die heute im Fahrzeugbau angestrebte Gewichtsverminderung für jede Art von Zubehör führt zu der Notwendigkeit, Formteile mit geringerem spezifischen Gewicht herzustellen, was beispielsweise mit einem geringeren Verpressungsgrad realisierbar wäre. Holzfaserwerkstoffe geringen Verpressungsgrades werden jedoch in zunehmendem Maße durch die verbleibenden Mikroporen anfällig für die Aufnahme von Feuchtigkeit, sei es durch direkten Kontakt, beispielsweise mit Kondenswasser, sei es durch höhere Luftfeuchtigkeiten. Maßänderungen, vor allem in Dickenrichtung, sind eine der unerwünschten Folgen. Auch die Festigkeitseigenschaften von Holzfaserwerkstoffen verschlechtern sich mit abnehmendem Verpressungsgrad. Ein Ausgleich der Qualitätsminderung in begrenztem Umfang durch erhöhte Bindemittelzugaben ist im Prinzip möglich, führt aber zu einer erheblichen Verteuerung der Produkte.

Aus der Vergangenheit sind eine Reihe von Maßnahmen bekannt, die hier Abhilfe versprechen. So ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus zellulosehaltigen Fasern, insbesondere Holzabfallfasern, die mit thermoplastischen und wenigstens einem duroplastischen Bindemittel, z.B. Phenolharz, in Pulverform trocken gemischt und zu einem Vlies gestreut werden, bekannt, wobei das Streugut unter Einwirkung von Wärme und Druck zu einer transportfähigen Matte verdichtet und dann wiederum unter Einwirkung von Druck und höherer Temperatur zu dem Formteil verpreßt wird. Hierbei wird den Bindemitteln ein pulverförmiges Treibmittel zugegeben, daraus eine Vormischung hergestellt und diese Vormischung mit den Fasern gemischt, wobei das Treibmittel eine Zersetzungstemperatur aufweist, die zwischen der Temperatur bei Mattenherstellung und der Preßtemperatur liegt. Als Treibmittel wird Azodicarbonamid verwendet (DE 31 27 846 C2).

Das Treibmittel wirkt zwar während des Verpressens schaumtreibend, der damit erzielbare Schaumdruck reicht jedoch nicht aus, den Preßdruck als Gegendruck auszugleichen. Dennoch führt diese Maßnahme zu einer verbesserten sogenannten "Wischbeleimung" der Fasern und damit zu einer verbesserten Bindemittelverteilung.

Auch ist es für ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus faserigem Material (DE 34 12 660 A1), das zusammen mit einem thermoplastischen Bindemittel, mindestens einem in der Wärme vernetzenden Bindemittel und einem Schaumtreibmittel zu einer Matte vorverdichtet und nachfolgend einer Heißdampfbehandlung unterworfen wird, bevor es gegebenenfalls nach einer Vorformung unter Einwirkung von Druck und Wärme zu dem Formteil verpreßt wird, bereits bekannt, ein thermoplastisches Bindemittel in Form von Partikeln dergestalt zu verwenden, daß die Partikel, in das Schaumtreibmittel unter Bildung eines legierungsanalogen Zustands eingearbeitet werden. Die Partikel werden an ihrer Oberfläche mit dem in der Wärme vernetzenden Bindemittel zumindest teilweise beschichtet und das Schaumtreibmittel wird vor dem Pressen des Formteils durch Wärmeeinwirkung aktiviert. Hierdurch wird die Bindemittelverteilung zusätzlich dadurch verbessert, daß zumindest eine Bindemittelkomponente durch die eingearbeiteten Treibmittel schaumfähig ist, das Treibmittel also nicht nur von außen auf das Bindemittel einwirkt.

Das partikel- oder pulverförmige Einbringen der Schaumtreibmittel führt zwar durch verbesserte Bindemittelverteilung zu verbesserten mechanischen Eigenschaften der Formteile und vermindert insbesondere die Wasseraufnahme, die mangelhafte Verformungsfähigkeit der Wirrfasermatten wird durch diese Maßnahmen jedoch nicht merklich verbessert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fasermatten der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie bei guten mechanischen Festigkeitskennwerten und verminderter Wasseraufnahme ausreichende Formgebungseigenschaften aufweisen.

Die Lösung der Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Fasermatte sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Dadurch, daß die Mittelschicht der Fasermatte zu­ sätzlich Kunstfasern enthält, die unter Wärmeeinwirkung blähfähig sind und ihrerseits eine nicht blähfähige hochfeste Seele und eine die Seele umschließende, blähfähige Ummantelung aufweisen, wobei die Oberflächen der Kunstfasern mit einem in der Wärme härtenden Bindemittel vorzugsweise in Form eines Vorkondensats appretiert sind und das Treibmittel ausschließlich in Form der blähfähigen Kunstfasern in die Mittelschicht eingebracht wird, können die Kunstfasern insgesamt höhere Zugkräfte aufnehmen. Die gute Verbindung zwischen den Fasern der Mattenmittelschicht und den Kunstfasern, die für eine Verbesserung der Verformungseigenschaften der Matten unerläßlich ist, kommt dabei unverändert durch den äußeren, bei Plastifizierungstemperaturen erweichenden Mantel der Faser zustande. Auch die verbesserte Bindemittelverteilung beim Verpressen des Vorformlings zum Fertigteil bleibt durch die sich dann blähende Außenschicht der Kunstfasern voll erhalten. Die auf der Oberfläche der Blähfasern befindlichen Bindemittel werden direkt beim Blähvorgang weitertransportiert, sie müssen nicht erst von den beleimten Holzfasern der Mittelschicht abgenommen und weitertransportiert werden. Ist der Anteil so appretierter Kunstfasern in der Mittelschicht hinreichend groß, so entsteht in der Mittelschicht der Wirrfaservliesmatte nach dem Blähvorgang während des Endpressens ein ausgehärtetes "Stützgerüst" innerhalb der Mittelschicht, das wesentlich zur Eigenschaftsverbesserung der Formteile beiträgt.

Darüber hinaus wird die Verformbarkeit der Wirrfaservliesmatten erheblich verbessert. Werden beispielsweise Polyäthylenfasern mit einem Erweichungsbereich zwischen 100 und 110°C verwendet, deren Blähtemperatur näherungsweise bei 140°C liegt, so erhalten diese Fasern beim thermischen Plastifizieren und dem anschließenden Vorformen bereits eine gute Klebeverbindung zu den umgebenden Zellulose- oder Lignozellulosefasern, wodurch die Zugkraftübertragung zwischen Kunstfasern und den übrigen Fasern des Wirrfaservlieses verbessert wird. Während des Vorformens und der vorangegangenen thermischen Plastifizierung durch Dampf oder dergleichen, wird die Blähtemperatur der Fasern noch nicht erreicht, sie wirkt während der entscheidenden Phasen der Formgebung als zusätzliche Faserverstärkung in dem niederfesten Mattenvlies. Mit dem Beginn des Verpressens des Vorformteils zum Fertigteil, das bei deutlich höheren Temperaturen erfolgt, setzt dann das Aufblähen der Kunstfasern ein, und zwar zu einem Zeitpunkt, in dem alle Bindemittel ihre niedrigste Viskosität erreichen, dem günstigsten Zeitpunkt für eine verbesserte Bindemittelverteilung also.

Anteile an blähfähigen Kunstfasern im Wirrfaservlies der Mittelschicht reichen aus, um sowohl die Eigenschaften der Wirrfaservliesmatten hinsichtlich Festigkeit und Wasseraufnahme, als auch die Verformungsfähigkeit der Matten deutlich zu verbessern.

Die Verformungsfähigkeit erfindungsgemäßer Fasermatten wird vor allem dann verbessert, wenn die blähfähigen Kunstfasern länger als 5 mm sind. Längere Kunstfasern beeinflussen während des Vorformens größere Mattenbereiche und sorgen über ihre erweichten Oberflächen für einen guten Verbund und damit für guten Materialzusammenhalt und gute Zugkraftübertragung innerhalb der Mattenmittelschicht.

Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens dienen die Zeichnungen, die nur beispielsweise Ausgestaltungen schematisiert wiedergeben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Faseraufbau,

Fig. 2 die Anordnung der Kunstfasern in der Mittelschicht der Fasermatte vor dem Verdichten, ebenfalls schematisch vereinfacht,

Fig. 3 ein Volumenelement eines Vorform­ teils, das so gewählt wurde, daß die in ihm liegenden Fasern ge­ schnitten erscheinen, und

Fig. 4 schließlich dasselbe Volumenelement nach dem Fertigpressen und Aktivieren der Blähfaser.

In Fig. 1 zeigt die Schnittdarstellung die hochfeste Seele 1 der Kunstfaser F, die von dem blähfähigen Anteil der Ummantelungsfaser 2 konzentrisch umgeben ist. Die Erweichungstemperatur der Seele 1 liegt dabei höher als die Blähtemperatur der sie umgebenden Umman­ telungsschicht 2. Die Faser wird insgesamt ummantelt von der vorkondensierten Schicht 3 eines Duromers, bei­ spielsweise eines Phenolharzes.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wurde davon ausgegangen, daß die Faserseele 1 ebenfalls thermo­ plastischen Charakter hat, wenn auch mit einer deutlich höheren Erweichungstemperatur als die Bläh­ temperatur der nachfolgenden Ummantelungsschicht 2. Es ist jedoch auch denkbar bzw. keinesfalls ausge­ schlossen, daß die Faserseele 1 aus nicht thermo­ plastischen Werkstoffen bestehen kann, wie bei­ spielsweise aus anorganischen Fasern, etwa Glasfasern.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Mittelschicht erfindungsgemäßer Fasermatten, bei dem der Über­ sichtlichkeit halber nur einige der im Volumen­ element enthaltenen Holzfasern 4 dargestellt sind. Der Werkstoffzustand in Fig. 2 entspricht dem einer erfindungsgemäßen Faser nach dem thermischen Plastifizieren, beispielsweise einer Dampfbehandlung.

Die Kunstfasern F, deren Aufbau dem von Fig. 1 entspricht, bilden nach dem Dämpfen ein grobmaschiges, räumliches Netzwerk mit einer Vielzahl von Verklebungs­ stellen 5, die durch das Erweichen der Faserober­ flächen ausgebildet werden. An diesem räumlichen Netzwerk sind ein erheblicher Teil der Holzfasern 4 über die Klebstellen 5′ beteiligt. Es ist ersichtlich, daß im Bereich der Kunstfasern F auch die Lignozellu­ losefasern der Mittelschicht weitgehend in dieses räumliche Maschenwerk mit einbezogen werden.

Dabei ist die Überdeckungslänge der Kunstfasern F wesentlich größer als die der Holzfasern 4, wodurch während der Verformung ein Faserauszug aus dem Verbund weitgehend vermieden wird, so daß die Form­ gebungsmöglichkeiten erfindungsgemäßer Fasermatten gegenüber den reinen Zellulose- bzw. Lignozellulose­ fasermatten erheblich verbessert werden.

Fig. 3 zeigt ein Volumenelement eines Vorformteils, gefertigt aus erfindungsgemäßen Fasermatten. Aus Übersichtlichkeitsgründen wird bei der Darstellung davon ausgegangen, daß in diesem Volumenelement alle Fasern (Kunstfasern und Holzfasern) parallel ange­ ordnet sind. (In Wirklichkeit besitzen die Fasern derartiger Matten statistisch verteilte Zufalls­ orientierungen.)

In diesem Stadium der Formteilefertigung ist der Werkstoff der Vorformteile noch wenig verdichtet. Zwischen den Kunstfasern F, bestehend aus der Seele 1, dem blähfähigen Mantel 2, der Außenschicht 3 eines vorkondensierten Duromerbindemittels und den Holz­ fasern 4, existieren erhebliche Zwischenräume. Beim warmen Verpressen zum Fertigteil wird das Vorformteil zusätzlich verdichtet. In Fig. 4, die das gleiche Volumenelement der Fig. 3 nach dem Verdichten beim Fertigpressen darstellt, sind die Abstände der einzelnen Fasern untereinander deutlich verringert. Der ursprünglich vorhandene Umriß der Kunstfasern F ist in Fig. 4 gestrichelt eingezeichnet.

Da beim Fertigpressen Temperaturen angewendet werden, die über der Blähtemperatur der Ummantelungsschicht 2 liegen, werden die noch verbleibenden Restzwischen­ räume zwischen den Fasern weitgehend von dem geblähten Werkstoff der Kunstfasern ausgefüllt. Dabei entsteht eine übergeordnete "Zellstruktur", deren Kontur in Fig. 4 mit 3′ bezeichnet ist. Das Vorkonden­ sat 3, das ursprünglich die ungeblähte Kunstfaser F umgab, wird dabei bevorzugt an den "Korngrenzen" 3, dieser Zellstruktur angereichert und bildet nach dem Aushärten ein temperaturbeständiges "Stützgerüst" innerhalb der verdichteten Mittelschicht der Faser­ matten. Durch den Aufbau der geblähten Zellstruktur werden die verbleibenden Hohlräume im Werkstoff des fertigen Formteils weitgehend ausgefüllt, so daß eine Wassereinlagerung in diesen Hohlräumen unterbunden wird. Erfindungsgemäße Fasermatten besitzen nicht nur höhere Festigkeiten infolge der in der Mittelschicht sich ausbildenden Zellstruktur ausgehärteter Duromere, sie zeichnen sich auch durch verminderte Wasseraufnahme und damit durch verbesserte Maßstabilität aus.

Claims (5)

1. Formbare und verdichtungsfähige Fasermatte zum Herstellen von Formteilen unter Anwendung von Druck und Wärme, bestehend aus zwei bindemittelhaltigen Faservliesdeckschichten und einer die Deckschichten verbindenden, bindemittelhaltigen Mittelschicht mit einem überwiegenden Anteil an Zellulose- und/oder Lignozellulosefasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht als einzige Form eines Treibmittels einen weiteren Anteil von unter Wärmeeinwirkung blähfähigen Kunstfasern aufweist, die aus einer nicht blähfähigen, hochfesten Seele und einer die Seele umschließenden, blähfähigen Ummantelung bestehen, wobei die Oberfläche der Kunstfasern mit einem in Wärme härtbaren Bindemittel beschichtet ist.

2. Fasermatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als in der Wärme härtbares Bindemittel ein Vorkondensat vorgesehen ist.

3. Fasermatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunstfasern Polyäthylenfasern mit einem Erweichungsbereich zwischen 100 und 110°C und einer Blähtemperatur etwa 140°C sind.

4. Fasermatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Kunstfasern fünf bis zwanzig Gewichtsprozent des Gesamtgewichtes der Mittelschicht beträgt.

5. Fasermatte nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunstfasern länger als 5 mm sind.