DE4102178C2 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen und faserverstärktes Halbzeug - Google Patents

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.-%.

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.