DE4102178C2 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen und faserverstärktes Halbzeug - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen und faserverstärktes HalbzeugInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
einer Wirrfaserpolymermischung aus geschnittenen Faser
bündeln und einer Polymermischung als Ausgangsprodukt für
die Herstellung faserverstärkter Kunststofformteile und
ein Halbzeug aus faserverstärktem Thermoplast mit einem
festen Mantel aus Fasern und nach Schmelzen wiederer
starrtem Thermoplast und einem filz- oder watteartigen
Kern aus einer Faser-Polymermischung, mit nach Schmelzen
wiedererstarrten, thermoplastischen Stirnseitenoberflä
chen.
Aus der DE 36 04 888 A1 ist es bekannt, aus einem Thermopla
sten und verschiedenen Zusatzstoffen auf einer Heiz-Kühl
mischer-Kombination eine Polymermischung herzustellen,
die anschließend feucht mit Glasfasern vermischt wird.
Zur Herstellung von Ausgangsprodukten für glasfaserver
stärkte Formteile wurde mit der DE 37 26 921 A1 weiterhin
schon vorgeschlagen, ein watte- oder filzartiges Produkt
aus Glasfasern und einer Polymermischung nach Verdichtung
lediglich in einem Außenmantel zu erhitzen, um ein sich
nicht in die Einzelkomponenten zersetzendes, handhabba
res, formhaltiges Halbzeug mit filzartigem Kern zu schaf
fen. Die bekannten Verfahren arbeiten zwar zufriedenstel
lend und die Zwischenerzeugnisse weisen zufriedenstellen
de Weiterverarbeitungseigenschaften auf, dennoch sind die
weiteren Verbesserungen zugänglich. So besteht bei den
bekannten Halbzeugen, wenn diese nicht stirnseitig ver
schweißt sind, die Gefahr des Ausfaserns des fasrigen
Kerns bzw. des Herausfallens von Polymermischungsantei
len, andererseits kann bei Verschweißen der Stirnseiten
die Weiterverarbeitung nicht in optimaler Weise durchge
führt werden, da eine Erhitzung der Halbzeuge von innen
her nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die
Verfahren und das Halbzeug nach dem Stand der Technik
dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei verbesserten
Weiterverarbeitungseigenschaften der Zwischenprodukte zu
den Endprodukten letzteren optimale Eigenschaften, insbe
sondere in mechanischer Hinsicht, verliehen werden.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein
Verfahren der eingangs genannten Art mit folgenden
Schritten gelöst:
- - eine Polymermischung wird dadurch erzeugt, daß mehr als 95 Gew.-% Thermoplast, Rest Haftvermittler und Antioxidatien in einen Heizmischer eingegeben werden und über 6 bis 10 Minuten unter Erhitzung durch Tempe raturerhöhung bis nahe an, aber unter den Schmelzpunkt des Polymers miteinander vermischt und anschließend in einem Kühlmischer auf einer Temperatur, die höchstens die Hälfte der vorherigen Erhitzungstemperatur be trägt, abgekühlt werden,
- - die Faserbündel werden auf eine Länge zwischen 5 und 20 mm geschnitten,
- - die geschnittenen Faserbündel werden mit einem Anteil von 20 bis 50 Gew.-% und die vorstehend erzeugte Polymermischung mit einem Anteil von 50 bis 80 Gew.-% zusammen mit einem Kunststoffbindemittel in einer Wirbelkammer durch tangentiales Einblasen von Luft über tangential angeordnete Düsenleisten bis zur Auflösung der Faserbündel in Einzelfäden verwirbelt und miteinander vermischt, bis ein watteförmiger Wirrfaserstoff mit zwischen den Verstärkungsfasern eingebetteten Polymermischungsteilchen erzeugt ist.
Die Wirrfaserpolymermischung besteht demgemäß zu 20 bis
50 Gew.-% aus Fasern und 50 bis 80 Gew.-% aus Polymermi
schung, in der der Thermoplast 95 Gew.-% ausmacht und der
Rest Haftvermittler und Antioxidantien sind. Bei einem
Halbzeug aus faserverstärktem Thermoplast mit einem
festen Mantel aus Fasern und nach Schmelzen wiederer
starrtem Thermoplast und einem filz- oder watteartigen
Kern aus einer Faser-Polymermischung, mit durch Schmelzen
wiedererstarrten, thermoplastischen Stirnseitenoberflä
chen sind diese perforiert, also mit einzelnen Perfora
tionslöchern versehen.
Die Erfindung betrifft zwar in erster Linie die Verarbei
tung von geschnittenen Glasfasern, ist aber in gleicher
Weise auf andere anorganische Fasern oder synthetische
organische Fasern, wie Kohlefasern, Aramidfasern oder
auch Polyesterfasern anwendbar. Soweit von Glasfasern
gesprochen wird, können diese auch durch die vorgenann
ten, gleichwirkenden Fasern ersetzt werden.
Geschnittene Glasfasern werden in großem Umfang zu glas
faserverstärkten Kunststofformteilen verarbeitet. Hierbei
ergeben sich Probleme bei der Aufbereitung der Glasfasern
zu einem Wirrfaserstoff, da die Glasfaser zumindestens
gegenüber organischen Fasern vergleichsweise biegesteif
ist. Hinzu kommt, daß die Glasfasern von multifilen
Fasersträngen auf Länge geschnitten werden, so daß hier
bei Glasfaserbündel entstehen, innerhalb der die einzel
nen Glasfasern oder Einzelfasern parallel und eng anein
ander liegen. Diese Glasfaserbündel lassen sich nur mit
Schwierigkeiten zu wirr liegenden Ein
zelfasern aufbereiten. In der Praxis geschieht die Wirrfaser
stoffbildung entweder durch Ausstreuen der Fasern zu einem
Vlies und einem Imprägnieren des Vlieses mit flüssigem Kunst
harz oder es werden die Fasern in flüssiger Phase zu einer
Aufschlämmung verarbeitet, die durch Rühr- oder Mischbewe
gung zu einem Wirrfaserstoff verarbeitet wird. Auch hierbei
werden entweder flüssige Kunstharze oder aber pulvrige Bin
demittel in Verbindung mit einer wäßrigen Aufschlämmung
eingesetzt. Im letztgenannten Fall wird die Aufschlämmung
nach Bildung eines Wirrfaservlieses getrocknet.
Praktische Versuche haben gezeigt, daß die sonst stark
richtungsorientierten und aneinanderhaftenden Glasfaser
bündel mit dem erfindungsgemäßen Druckluftverfahren zu einem
Wirrfaserstoff aufgeschlossen, also auffilamentiert werden
können, bei dem einerseits die kurzen Einzelfasern voll
ständig vereinzelt sind, andererseits eine völlig irreguläre
Anordnung und Verteilung einnehmen. Aus den geschnittenen
Glasfaserbündeln läßt sich auf diese Weise ein voluminöser
watteähnlicher Faserstoff herstellen, der sich durch ein
Höchstmaß an Desorientierung der einzelnen Glasfasern aus
zeichnet.
Anläßlich der vorgenannten Herstellung des Wirrfaserstoffs
wird zugleich auch das Kunststoffbindemittel in Pulverform
zugegeben, da beim Aufschließen der Glasfasern durch Ver
wirbeln im Druckluftstrom bei gleichzeitigem Eintrag des
Bindemittelpulvers eine hervorragend homogene Mischung ent
steht, in der das Bindemittelkorn an den Glasfasern haftet
bzw. in dem watteförmigen Wirrfaserstoff in homogener Ver
teilung festgehalten wird. Mit Vorteil wird das Bindemittel
zusammen mit den Glasfasern in die Luftströmung eingegeben.
Bei der Verwirbelung werden die Glasfasern und das Binde
mittel aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur (Fasern
bzw. Pulverkörnchen) unterschiedlich beschleunigt und so die
Bindemittelteilchen praktisch zwischen die Glasfasern hineinge
schossen. Eine vollständige homogene Durchmischung wird
nicht erreicht, wenn zunächst ein Verwirbeln der Fasern er
folgt und erst anschließend das Bindemittel zugegeben und
eine Vermischung versucht wird. Eine solche wird dann
bestenfalls lokal erreicht.
Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird zunächst eine me
chanische Verankerung des Bindemittels zwischen den Glas
fasern bewirkt, wodurch die Bindemittelkörner oder -pulver
teilchen von Glasfasern umgeben und zwischen diesen gehalten
werden. Die mechanische Verankerung kann weiterhin dadurch
verbessert werden, daß pulverförmiges Bindemittel mit einer
kantigen und rauhen Oberflächengestalt zugeführt wird. In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß beim
Verwirbeln die Komponenten elektrostatisch aufgeladen wer
den. Hierdurch wird ein elektrostatisches Aneinanderhaften
der Komponenten erreicht.
Vorteilhafterweise liegt die Rezeptur des Bindemittelpulvers
in den folgenden Bereichen:
Thermoplast-Pulver mehr als 95 Gew.-%, Ruß 0 bis 5 Gew.-%, Antioxidantien 0 bis 5 Gew.-% und sonstige, wie mineralische Füllstoffe, insbesondere Kreide, Talkum oder dergleichen 0 bis 5 Gew.-%.
Thermoplast-Pulver mehr als 95 Gew.-%, Ruß 0 bis 5 Gew.-%, Antioxidantien 0 bis 5 Gew.-% und sonstige, wie mineralische Füllstoffe, insbesondere Kreide, Talkum oder dergleichen 0 bis 5 Gew.-%.
Die Glasfasern können über eine Aufgabeeinrichtung einer
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in eine Druck
luftleitung eingegeben und von dem Druckluftstrom mitgeris
sen werden. Dieser Druckluftstrom wird dann in der an
schließenden Wirbelkammer in eine starke turbulente Wirbel
strömung versetzt, wobei die Glasfasern vereinzelt und in
eine lockere Wirrlage gebracht werden. Alternativ können
die Glasfasern direkt in die Wirbelkammer eingegeben werden.
Weiter ist wenigstens eine Aufgabeeinrichtung für das Binde
mittelpulver vorgesehen, so daß innerhalb der Wirbelkammer
in einen Arbeitsgang nicht nur das Aufschließen der Glas
fasern zu einem Wirrfaserstoff, sondern zugleich auch das
Vermischen mit dem trockenen Bindemittel erfolgt.
Weiter kann die Druckluftleitung ein in die Wirbelkammer
reichendes Mündungsstück aufweisen, das in ändernder Rich
tung mit Bezug auf die Wirbelkammer beweglich ist. Das Mund
stück kann beispielsweise quer zur Strömungsachse in eine
oszillierende Bewegung oder auch in eine um die Strömungs
achse rotierende Bewegung versetzt werden, wodurch innerhalb
der Wirbelkammer eine sich ständig ändernde Wirbelströmung
entsteht. Hierdurch ist eine besonders effektive und schnelle
Herstellung des Wirrfaserstoffs möglich.
Die Wirbelkammer kann als Behälter mit einer sich über den
Behälterquerschnitt erstreckenden Austragsöffnung ausgebil
det sein und einen in den Behälter von der der Austragsöff
nung gegenüberliegenden Seite eintauchenden und bis zur Aus
tragsöffnung beweglichen Austragsschieber aufweisen. Mittels
dieses Austragsschiebers läßt sich der sich im Behälter an
sammelnde Wirrfaserstoff in einfacher Weise austragen.
An die Austragsöffnung sollte eine Verdichtungseinrichtung
angeschlossen sein, um aus dem Wirrfaserstoff den vorver
dichteten Filz herzustellen.
Diese Verdichtungseinrichtung kann mit Vorteil von dem Aus
tragsschieber und einer mit Abstand von der Austragsöffnung
angeordneten Gegendruckplatte gebildet sein. Auf diese Weise
wird der Wirrfaserstoff unmittelbar nach dem Austragen aus
der Wirbelkammer zu einem Filz vorgeformt.
Bei der Weiterverarbeitung des erfindungsgemäß hergestellten
Wirrfaserstoffs zu glasfaserverstärkten Kunststofformteil
chen hat sich gezeigt, daß gegenüber den in herkömmlicher
Weise hergestellten Produkten sowohl eine Erhöhung des Biege-
E-Moduls als auch eine Erhöhung der Biegefestigkeit erreicht
wird. Die Ursache hierfür dürfte in dem wesentlich besseren
Aufschluß der Glasfaserbündel und der homogeneren Mischung
mit dem trockenen Bindemittel zu sehen sein. Insbesondere
können auch höherwertige, sogenannte technische Thermoplaste,
mit einer besseren Wärmestandfestigkeit als das bisher einge
setzte Polypropylen, verarbeitet werden. Auch können beim er
findungsgemäßen Verfahren die einzelnen Komponenten - thermo
plastische Matrize und verschiedene Fasertypen - gewechselt
werden, ohne daß intensive und damit kostenträchtige Reini
gungsarbeiten anfallen, wie es nach dem Stande der Technik
der Fall ist. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglich
keit zur Herstellung von glasfaserverstärkten Produkten bei
reduzierten Investitionskosten und Energieaufwand, insbesondere,
da einer Verwirbelungskammer auch mehrere unterschiedliche
Formwerkzeuge nachgeordnet werden können.
Ein wesentlicher Vorteil des durch das erfindungsgemäße Ver
fahren erzeugten filz- oder watteartigen Zwischenprodukts be
steht darin, daß durch die Wirrlage der Einzelfasern und
nicht nur von Bündeln derselben, wie beim Stand der Technik,
eine bessere Fließfähigkeit des erhitzten Produkts bei der
Weiterverarbeitung gegeben ist.
In bevorzugter Ausgestaltung wird ein formhaltiges Halbzeug
dadurch hergestellt, daß die vorher erzeugte Wirrfaserpoly
mermischung in einer Schmelzkammer über 2 bis 3
Minuten auf über 200°C am Außenumfang erhitzt wird, mit
einem Druck von 40 bis 50 bar verdichtet und in einen Kühl
kanal überführt und in diesem über ca.
2 Minuten auf etwa 20°C im Außenmantel abgekühlt wird, worauf
der kontinuierlich verdichtete Strang in einzel
ne Halbzeugstücke geschnitten und deren Stirnseiten ver
siegelt werden, wobei insbesondere die Halbzeugstücke ver
siegelt werden, indem ihre Stirnseiten kurzzeitig auf eine
oberhalb der Schmelztemperatur ihres Polymers liegende Tem
peratur erhitzt und anschließend wieder rasch unter die
Schmelztemperatur abgekühlt werden und die Versiegelung der
Stirnseiten der Halbzeugstücke perforiert wird.
Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen eine Vereinfachung
des Herstellungsablaufs sowie einen hohen Automatisierungs
grad bei der Formteilherstellung. Für die Weiterverarbeitung
ist keine an das Enderzeugnis angepaßte Konfektionierung des
Halbzeugs erforderlich. Die Investitionskosten können niedrig
gehalten werden. Durch die Ausbildung als geschlossenes Sy
stem der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Zersetzung
der Thermoplast-Matrix durch Überhitzung ausgeschlossen wer
den, wodurch eine verminderte Brandgefahr und eine erhöhte
Umweltfreundlichkeit gegeben ist. Das erfindungsgemäße Ver
fahren ermöglicht große Variationsmöglichkeiten hinsichtlich
des Einsatzes von höherwertigen Thermoplasten (z. B. PA, PTP)
und der Verwendung unterschiedlicher Verstärkungsfasern.
Insbesondere kann das erfindungsgemäß hergestellte Halbzeug
zur Weiterverarbeitung durch inerte, durch den filz- oder
watteartigen Kern geblasene Heißgase oder Heißluft in den Be
reich des Schmelzpunkts und über diesen erhitzt werden, was
insbesondere bei Rezirkulation des Erhitzungsgases wenig ener
gieintensiv ist.
Insbesondere kann das Ausgangsmaterial in einer Standard
paketgröße zugeführt werden und muß nicht, wie dies bei der
Glasmattenherstellung erforderlich ist, nach den speziellen
Einsatzgewichten etc. der Formteile angepaßt sein.
Soweit nicht hinreichend verdichtetes Material, wie dies bei
der Verwendung von nach dem Stand der Technik hergestellten
Materials an sich der Fall ist, sondern der erwähnte watte
artige Filz unmittelbar zugeführt wird, so sieht eine bevor
zugte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß das watteartige
Vorprodukt vorverdichtet und unmittelbar dem Endlosstrang
zugeführt wird, bzw. daß der Schmelzeinrichtung eine Kom
primierstation unmittelbar vorgeschaltet ist, wobei gemäß einer
Weiterbildung weiterhin vorgesehen sein kann, daß die Kompri
mierstation einen gekühlten Verdichtungskanal aufweist, an den
unmittelbar der Schmelzkanal der Schmelzeinrichtung anschließt
und daß an dem der Übergangsstelle von Verdichtungskanal und
Schmelzkanal abgewandten Ende des Verdichtungskanals ein Ver
dichtungs- und Förderkolben bewegbar angeordnet ist und insbe
sondere, daß der Schmelzkanal der Schmelzeinrichtung über seine
gesamte Länge von Heizelementen umgeben ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß bei der Ver
dichtung des Ausgangsmaterials Vakuum angelegt wird, um so
Lufteinschlüsse und dergleichen zu vermeiden. Hierzu können
insbesondere im Bereich der Komprimierstation, Vakuumleitungen,
über die das Vakuum angelegt wird, vorgesehen sein.
Die Erwärmung des Mate
rials im Schmelzkanal erfolgt auf eine Temperatur, die höher
als die Schmelztemperatur des Thermoplasts des Materials ist
und insbesondere bis zu 100°C über der Schmelztemperatur liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen sehr hohen Durch
satz an zu erweichendem Material, so ist ein Durchsatz von 5 kg
oder mehr pro Minute ohne weiteres erreichbar.
Die Wandung des Schmelzkanals wird durch seine Heizelemente
hoch über den Schmelzpunkt des Polymers des Ausgangsprodukts
erhitzt, so daß das Polymer nur in einem relativ dünnen Mantel
bereich schmilzt, nicht aber im inneren Kern der im Kanal be
findlichen watteartigen Faser-Polymer-Masse. Anschließend er
folgt ein Abkühlen, so daß das geschmolzene Polymer wieder
erstarrt. Wesentlich ist eine schnelle Erhitzung, so daß ein
Schmelzen des Polymers im Außenbereich erfolgt, ohne daß die
hohe Temperatur in den Kernbereich geleitet wird und vorteil
hafterweise ein anschließendes, ebenfalls zügiges, Abkühlen
erfolgt. Bei Polypropylen wird beispielsweise die Wandung des
Schmelzkanals auf über 200°C erhitzt. Der mit Polymer verse
hene Wirrfaserstoff wird mittels eines Verdichtungskolbens
durch den heißen Schmelzkanal gedrückt, wobei innerhalb we
niger Minuten (2-3) die Außenhaut des polymerhaltigen Wirr
faserstoffes schmilzt. Im Kühlkanal wird schließlich die
Außenhaut auf ca. 20°C abgekühlt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Ansprüchen.
In der nachfolgenden Beschreibung ist die Erfindung
durch Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt
bzw. zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Anlage zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine Detaildarstellung einer Verwirbe
lungskammer;
Fig. 3 die Darstellung einer Vorrichtung zur
Herstellung eines kompakten, glasfaserver
stärkten Halbzeugstranges;
Fig. 4a-4c einen mit der Vorrichtung der Fig. 3 her
gestellten Abschnitt und seine weitere Kon
fektion; und
Fig. 5 das konfektionierte Halbzeug.
Die Fig. 1 zeigt ein Ablaufschema einer bevorzugten Aus
führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausgegangen
wird einerseits von Glasfasern. Hierzu werden Glasfaser-End
losstränge, die aus einer Vielzahl von Einzelfasern beste
hen, in einer Schneidstation 1 in kurze Faserbündel mit
einer Länge der Fasern von ca. 12 mm geschnitten. Die Faser
bündel haben eine Texturierung von 5,5 bis 300 Tex und
können aus 200 bis 800 Einzelfilamenten mit Einzelfaden
durchmessern von 5 bis 20, vorzugsweise 8 bis 14 µm liegen.
Diese Faserbündel werden über eine Aufgabeeinrichtung 2
zugeführt. Statt Glasfasern können auch Kohlefasern, Aramid
fasern, Polyesterfasern oder dergleichen verwendet werden.
Weiterhin wird eine Polymermischung für die Fasern bereit
gestellt. Die Polymermischung wird dadurch erzeugt, daß mehr
als 95 Gew.-% Thermoplast, wie insbesondere Polypropylen, als
Matrix mit Haftvermittler und Antioxidantien, die die Mischung
zu 100 Gew.-% ergänzen, in einem Heiz-Kühlmischer 3 vermischt
werden. Hier ist lediglich zu beachten, daß der Thermoplast als
Pulver und bestenfalls grießförmig zugeführt werden muß, so daß
gegebenenfalls ein Granulat weiter mittels einer Mühle zu ver
feinern ist. Weiterhin kann das Bindemittel Ruß, Wachs sowie
sonstige Additive enthalten. Die Komponenten werden in den
Mischer hineingegeben und bis etwas über den Schmelzpunkt von
Additiven, wie den Wachsen, aber unter den Schmelzpunkt des
Polymers, unter 157°C erhitzt und über 6 bis 10 min vermischt.
Hierdurch wird eine innige Mischung erzielt, bei der Haftver
mittler und Antioxidantien an den Polymerteilchen anhaften.
Anschließend wird die so geschaffene Polymermischung auf eine
Temperatur abgekühlt, die höchstens die Hälfte der vorherigen
Erhitzungstemperatur ist.
Die einzelnen Komponenten, nämlich Glasfaser und Polymermischung,
werden dosiert der Wirbelkammer 4 zugeführt, in die ebenfalls
Druckluft zur Verwirbelung eingeblasen wird. Da in der Wirbel
kammer 4 kein erhöhter Druck aufgebaut, sondern lediglich die
einzelnen Komponenten verwirbelt werden sollen, bestehen ihre
Wände aus Filtermaterial, wie Stoff, durch welches die einge
blasene Luft austreten kann, welches aber die Materialkomponen
ten zurückhält.
Nach der Darstellung werden Glasfasern, Bindemittel und Luft
jeweils separat der Wirbelkammer 4 zugeführt, stattdessen
können Glasfasern und Bindemittel auch gemeinsam in einen
Aufgabetrichter hineindosiert und gemeinsam der Wirbelkammer
4 zugeführt werden. Sie können auch nicht der Wirbelkammer
direkt, sondern stattdessen in eine Druckluftleitung, die zur
Wirbelkammer 4 führt, eingespeist werden.
Nach hinreichender Verwirbelung der Komponenten in der Wir
belkammer 4 wird eine Austragsöffnung (mittels des Schiebers
6) geöffnet und das verwirbelte Material aus der Wirbelkammer
4 als "Wattebausch" oder Filz 7 ausgestoßen.
Die gute Verwirbelung und damit die Möglichkeit zur Wirr
lagenbildung zeigt sich insbesondere daraus, daß bei Zu
führung von Glasfasern im vorstehend genannten Bereich mit
einer Schüttdichte von 600 bis 800 g pro Liter und Binde
mittel, mit einer Schüttdichte von 500 g pro Liter, das nach
der Verwirbelung entstehende "Watte-Produkt" vor Komprimie
rung eine Dichte von 20 g pro Liter aufweist. Die in die
Wirbelkammer eingeblasene Luft kann mit einem Druck, der in
weiten Grenzen variierbar ist, zugeführt werden, wobei der
Druck allerdings nicht unter 0,5 bar liegen sollte, da dann
keine hinreichende Verwirbelung mehr erreichbar ist. Einer
seits wird mit höherem Druck die Vermischung verbessert und
andererseits eine gleichgute Mischung bei höherem Druck in
kürzerer Zeit erreicht. Bevorzugterweise wird daher ein
Druck in der Größenordnung von 7 bis 10 bar eingesetzt, wo
bei eine gute Vermischung mit der vorstehend genannten
Schüttdichte bei den ebenfalls erwähnten Ausgangskomponen
ten bei 7 bar in einer Zeit von 10 bis 15 Sekunden erreich
bar ist.
Die Fig. 2 zeigt eine konkrete Ausgestaltung der Wirbel
kammer 4. Die Wirbelkammer 4 ist als liegender Zylinder aus
gebildet, der an seinen Stirnseiten mit dem Filter 5 be
spannt ist. Die obere Zylindermantelhälfte 22 ist fest und
undurchlässig. Die untere Zylinderhälfte 23 ist als undurch
lässiger Verschlußschieber ausgebildet, der entlang der oberen
Zylinderhälfte 22 verschiebbar ist, um so eine Ausgabeöffnung 24
freizugeben. Seitlich, etwa auf halber Höhe der Wirbelkammer
4, ist der Aufgabetrichter 25 angeordnet, in den die Einzelkom
ponenten, insbesondere Glasfasern und Bindemittel, eindosiert
werden. Der Aufgabetrichter 25 ist zur Wirbelkammer 4 hin mit
tels eines Schiebers 26 verschlossen, der zum Aufgeben des Mate
rials in die Wirbelkammer geöffnet werden kann. Im Bereich
der untersten Stelle der Wirbelkammer 4 führt die Druckluft
leitung 28 etwa tangential zum Zylindermantelumfang in die
Wirbelkammer 4, wobei die einströmende Luft entgegen der
Schüttrichtung des Materials aus dem Aufgabetrichter 25 ein
strömt. Die Ausgabeöffnung 24 wird durch eine Schütte be
grenzt, die durch zueinander zulaufende Leitbleche 27 gebil
det ist. Das durch Öffnen der unteren Zylinderhälfte 23 aus der
Wirbelkammer 4 durch die Schütte 27 herausfallende Material kann
dann in der weiter oben beschriebenen Weise in Folienbeutel
abgefüllt oder kompaktiert, gegebenenfalls auch in anderer
als vorstehend erläuterten Weise, und anschließend weiter
verarbeitet werden.
Die Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Form der Weiterverarbei
tung des aus der Wirbelkammer herausgefallenen Materials.
Der Wattebausch oder Filz 7 wird zur Herstellung eines form
haltigen, vorzugsweise zylindrischen Halbzeugs mit festem,
kompaktem Außenmantel und verdichtetem, aber weiterhin fas
rigem, gasdurchlässigen Kern einer Komprimier- und Erhitzungs
vorrichtung 32 zugeführt.
Die Komprimier- und Erhitzungsvorrichtung 32 weist eine Kom
primierstation 31, eine Schmelzeinrichtung 33 und eine Kühlsta
tion 34 auf. Die Komprimierstation 32 weist eine Zuführ- und
Vorverdichtungskammer 36 auf, in die ein Zuführkanal 37 mündet
und die als Kolben- und Zylindereinheit 38 mit einem Vorverdich
tungskolben 39 versehen ist. Der Kolben 39 kann in geeigneter
Weise, insbesondere hydraulisch, angetrieben werden. In ihrem
dem Kolben 39 abgewandten Endbereich 41 geht die Zuführ- und
Vorverdichtungskammer 36 in eine Verdichtungskammer 42 über.
Die Verdichtungskammer 42 weist einen Verdichtungs- und Vor
schubkolben 43 auf, der ebenfalls in geeigneter Weise, vorzugs
weise hydraulisch, beaufschlagt wird.
An die kanalartig ausgebildete Verdichtungskammer 42 schließt
sich ein Schmelzkanal 44 der Schmelzeinrichtung 33 an. Der
Schmelzkanal 44 ist durch Heizelemente 46 umgeben, mittels
derer das in ihm befindliche faserverstärkte Thermoplast
material in seinem äußeren Mantelbereich über seine Schmelztem
peratur erhitzt wird.
An die Schmelzeinrichtung schließt sich die schon erwähnte
Kühlstation 34 an. Der Kühlstation 34 ist an dem der Schmelzein
richtung 33 abgewandten Ende eine Trenneinrichtung 51 nachge
ordnet. Der Kanal kann an sich beliebigerweise quadratische
oder auch rechteckige Querschnittsform aufweisen, hat aber
vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt.
Durch den Zuführkanal 37 wird das Rohstoffmaterial zugeführt.
Dies kann portionsweise geschehen, indem durch den Zuführ
kanal 37 in die Vorverdichtungskammer 36 eine bestimmte Menge
an Material eingefüllt und dieses dann durch den Vorver
dichtungskolben 39 vorverdichtet wird. Vor dem Zuführkanal
37 kann ein Bunker oder ein Mischer nach Fig. 2 vorgeordnet
sein, in denen sich das zu verarbeitende Material beispielsweise
in schüttfähiger Form befindet. In diesem Fall wird vorzugsweise
am Ende des Zuführkanals noch ein Sperrschieber vorgesehen. Das
zu verarbeitende Material ist ein mit Glasfasern beladener
Thermoplast, der schütt- oder rieselfähig vorliegt.
Nach Zuführung in die Aufnahme- und Vorverdichtungskammer 36
wird das Material, wie schon erwähnt, mittels des Kolbens 39
vorverdichtet und in den Verdichtungskanal 42 eingedrückt.
Der Kolben 39 bleibt in seiner unteren Stellung, die mit der
oberen Begrenzungswand des Kanals 42 schließt, stehen. An
schließend übernimmt der Kolben 43 die Hauptverdichtung des
Materials, indem er in Richtung des Schmelzkanals 44 bewegt
wird und einerseits das Material weiter verdichtet, anderer
seits das Material in und durch den Schmelzkanal 44 bewegt.
Bei dieser Hauptverdichtung kann gleichzeitig an den Ver
dichtungskanal 42 Unterdruck angelegt werden, um die Ver
dichtung zu unterstützen. In der Schmelzeinrichtung 33 wird
das Material nur in seinem Außenbereich über die Schmelz
temperatur seines Polymers erhitzt, während die Temperatur
in einem inneren Kernbereich unterhalb der Schmelztempera
tur bleibt. Derart wird der Polymeranteil nur in einem Man
telbereich geschmolzen, der Kernbereich des Materials bleibt
dagegen filzartig und durchlässig für strömende Gase.
Anschließend wird das im Schmelzkanal 44 in seinem Außenbe
reich angeschmolzene Material in die Kühlstation 34 einge
schoben. In der Kühlstation 34 wird das vorher im Schmelz
kanal 44 erhitzte Material wieder schnell abgekühlt. Die
Kühlstation kann durch ein Kühlmittel durchflossene Kühl
leitungen 47 aufweisen, wobei das Kühlmittel vorzugsweise kal
tes Wasser ist, aber auch andersartige Kühlmittel eingesetzt
werden können. Hierdurch wird der durch die Erhitzung
flüssig-pastöse Außenmantelbereich des im Kanal geförderten
Materials schnell abgekühlt und erstarrt zu einer festen,
den weiterhin watte- oder filzartigen Kern umgebenden Wand,
so daß ein formhaltiger Strang entsteht. Dieser wird auf dem
dem Schmelzkanal 44 abgewandten Ende der Kühleinrichtung
34 ausgestoßen. Bei einem Arbeitskanal
mit kreisförmigem Querschnitt entsteht ein
Strang 48 in Form eines Zylinders mit einem starren Außenmantel
49 und einem inneren filz- oder watteartigen verdichteten Kern
50 des nicht durchgeschmolzenen Ausgangsprodukts. Der Strang
48 kann mittels einer Trennvorrichtung 51 in beliebige Por
tionen zerschnitten werden. Das Schneiden kann durch Zersägen
des erkalteten Stranges erfolgen. Es werden vorzugsweise Zylin
der 54 mit einer Standardlänge, wie 120 mm, geschnitten. Nach dem
Schneiden tritt an der Schnittfläche des durch die Schneidein
richtung 51 abgetrennten Zylinders 54 filzartiges Material 53
aus, wie dies in Fig. 4a gezeigt ist.
Die Fig. 4b zeigt eine Versiegelungsstation für das filzarti
ge Material 53. Die Zylinder 54 werden in eine Haltevorrich
tung 55 gespannt. Zwei beheizbare Kolben 56, deren Tempera
tur sich deutlich oberhalb der Schmelztemperatur der thermo
plastischen Matrix befindet, drücken das filzartige Material
53 in das Rohr, das von der festen Außenhaut 49 gebildet
wird, zurück und schmelzen dabei gleichzeitig und kurzzeitig
die die Kolben 56 berührenden Stirnseitenbereiche des Zylin
ders 54 an der Oberfläche an, also die feste Außenhaut 49 als
auch das zurückgedrückte filzartige Material. Nach dem An
schmelzen fahren die beheizten Kolben 56 aus der Haltevorrich
tung 55 heraus.
Die Fig. 4c stellt eine Abkühl- und Perforationsstation dar.
Zwei vorzugsweise mit Wasser gekühlte Kolben 57, die mit Per
forationsnadeln 58 an den dem Zylinder 54 zugewandten Seiten
versehen sind, drücken auf die erwärmten Zonen des Zylinders
54 und kühlen diese unter den Schmelzpunkt der verwendeten
thermoplastischen Matrix ab. Gleichzeitig entsteht in den so
versiegelten Stirnflächen 59 durch die Perforationsnadeln 58
eine Perforation. Danach fahren die Kolben 57 zurück und die
Haltevorrichtung 55 legt den Zylinder 54 ab.
Fig. 5 stellt das erhaltene Halbzeug 60 dar. Erkennbar ist
die Perforation 61 in der Versiegelungsschicht 59 und die feste
Außenschale 49. Die feste Außenschale 49 und die perforierte
Versiegelungsschicht 59 hüllen den inneren filz- oder watte
artig verdichteten Kern 50 ein.
Das erhaltene Halbzeug 60 ist formhaltig und kann in dieser
Form weitertransportiert und verarbeitet, insbesondere er
neut vollständig erhitzt und aufgeschmolzen werden, um
hieraus gewünschte Formteile herzustellen. Wesentliche Vorteile
des erfindungsgemäßen Halbzeugs 60 bestehen darin, daß einer
seits auch im filzartigen Kern keine Trennung von homogen ver
mischten Fasern einerseits und polymerenthaltendem Bindemittel
andererseits stattfindet, sondern die homogene Mischung auch
bei längerer Lagerung und Transport aufrechterhalten werden
kann und andererseits zur Endfertigung eine relativ wenig Ener
gie verbrauchende, schnelle, zumindestens Vorerwärmung des
inneren Kerns durch heißes, inertes Gas, wie Helium oder Stick
stoff oder aber Heißluft, erfolgen kann, was bisher nicht mög
lich war. Die Aufrechterhaltung der homogenen Verteilung wird
insbesondere dadurch erreicht, daß der filz- oder watteartige
Kern in seiner verdichteten und kompaktierten Form durch den
starren Außenmantel einschließlich der - wie erläutert - ver
siegelten Stirnfläche gehalten wird. Das Halbzeug 60 kann in
an sich bekannter Weise zu einem Fertigformteil weiterverarbei
tet werden.
Claims (21)
1. Verfahren zur Herstellung einer Wirrfaserpolymermi
schung aus geschnittenen Faserbündeln und einer
Polymermischung als Ausgangsprodukt für die Herstel
lung faserverstärkter Kunststofformteile mit folgen
den Schritten:
- - eine Polymermischung wird dadurch erzeugt, daß mehr als 95 Gew.-% Thermoplast, Rest Haftvermittler und Antioxidatien in einen Heizmischer eingegeben werden und über 6 bis 10 Minuten unter Erhitzung durch Temperaturerhöhung bis nahe an, aber unter den Schmelzpunkt des Polymers mitein ander vermischt und anschließend in einem Kühlmi scher auf eine Temperatur, die höchstens die Hälfte der vorherigen Erhitzungstemperatur be trägt, abgekühlt werden,
- - die Faserbündel werden auf eine Länge zwischen 5 und 20 mm geschnitten,
- - die geschnittenen Faserbündel werden mit einem Anteil von 20 bis 50 Gew.-% und die vorstehend erzeugte Polymermischung mit einem Anteil von 50 bis 80 Gew.-% zusammen mit einem Kunststoffbinde mittel in einer Wirbelkammer durch tangentiales Einblasen von Luft über tangential angeordnete Düsenleisten bis zur Auflösung der Faserbündel in Einzelfäden verwirbelt und miteinander vermischt, bis ein watteförmiger Wirrfaserstoff mit zwischen den Verstärkungsfasern eingebetteten Polymermi schungsteilchen erzeugt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faserbündel auf eine Länge zwischen 5 und
25 mm geschnitten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faserbündel auf eine Länge von ca. 12 mm
geschnitten werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß Glasfasern und Bindemittel
gleichzeitig der Verwirbelung zugeführt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bindemittel zusammen mit
den Glasfasern in die Luftströmung eingegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die geschnittenen Glasfaserbün
del und das Bindemittel in einen Druckluftstrom
eingegeben und die mit Glasfasern beladene Luft in
eine turbulente Wirbelströmung wechselnder Richtung
umgelenkt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß Glasfasern und Bindemittel
diskontinuierlich chargenweise verwirbelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die geschnittenen Glasfaserbündel und das Binde
mittel direkt in eine Wirbelkammer eingegeben werden
und anschließend mit Druckluft verwirbelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß beim Verwirbeln die Komponenten
elektrostatisch aufgeladen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der bindemittelhaltige Wirrfaser
stoff nach seiner Bildung zu einem formhaltigen
Körper mit zumindest einem filzartigen Kern verdichtet
wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines formhaltigen Aus
gangsprodukts aus einer nach einem der Ansprüche 1
bis 10 ergestellte Wirrfaserpolymermischung für
die Herstellung faserverstärkter Kunststofformteile,
bei dem die vorher erzeugte Wirrfaserpolymermischung
in einer Schmelzeinrichtung über 2 bis 3 Minuten auf
über 200°C am Außenumfang erhitzt wird, mit einem
Druck von 40 bis 50 bar zu einem Strang verdichtet und in einen
Kühlkanal überführt und in diesem über ca. 2 Minuten
auf etwa 20°C im Außenmantel abgekühlt wird, worauf
der kontinuierlich verdichtete Strang in einzelne
Halbzeugstücke geschnitten und deren Stirnseiten
versiegelt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbzeugstücke zum Versiegeln ihrer Stirn
seiten kurzzeitig auf eine oberhalb der Schmelztem
peratur ihres Polymers liegende Temperatur erhitzt
und anschließend wieder rasch unter die Schmelztem
peratur abgekühlt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnseiten der Halbzeugstücke kurzzeitig
auf 220 bis 260° C erhitzt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die erhitzten Stirnseiten der Halb
zeugstücke gleichzeitig abgekühlt und versiegelt
werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten des form
haltigen Körpers bzw. des Halbzeugstücks perforiert
werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß die Versiegelung der
Stirnseiten der Halbzeugstücke perforiert wird.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch
einen Heizkühlmischer (3) zur Herstellung der Poly
mermischung, durch eine Schneideinrichtung (1) zum
Schneiden der Faserbündel und durch eine Wirbelkam
mer (4) mit tangential angeordneten Düsenleisten (28) zum
Einblasen von Druckluft und mit Wänden aus
Filtermaterial, durch welches die eingeblasene
Luft austreten kann.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Herstellung von
formhaltigem Halbzeug aus faserverstärktem Thermo
plast, gekennzeichnet durch eine Komprimier- und Erhitzungsvor
richtung (32) mit einer Schmelzeinrichtung (33) und einer sich an
diese anschließenden Kühlstation (34), sowie durch eine Schneid
einrichtung (51) und zwei beheizbare Kolben (56) zum
Erhitzen der Stirnseiten der Halbzeugstücke.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18,
gekennzeichnet durch zwei gekühlte Kolben (57)
zum Abkühlen der erhitzten Stirnseiten der Halbzeug
stücke.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich
net, daß die gekühlten Kolben (57) mit Perforationsnadeln
(58) versehen sind.
21. Halbzeug aus faserverstärktem Thermoplast mit einem
festen Mantel aus Fasern und nach Schmelzen wieder
erstarrtem Thermoplast und einem filz- oder watte
artigen Kern aus einer Faser-Polymermischung, mit
nach Schmelzen wiedererstarrten, thermoplastischen
Stirnseitenoberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stirnseitenoberflächen perforiert sind.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE4102178A DE4102178C2 (de) | 1990-02-16 | 1991-01-25 | Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen und faserverstärktes Halbzeug |
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DE4004860 | 1990-02-16 | ||
DE4006957 | 1990-03-06 | ||
DE4102178A DE4102178C2 (de) | 1990-02-16 | 1991-01-25 | Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen und faserverstärktes Halbzeug |
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DE3726921A1 (de) * | 1987-02-10 | 1988-08-18 | Menzolit Gmbh | Halbzeug und verfahren und vorrichtung zum herstellen formhaltigen halbzeugs aus thermoplast |
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