DE4106264A1 - Glasfaserverstaerkter kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen glasfaserverstärkten Kunststoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Aus der Druckschrift "Kunststoffe Hoechst, Hostalen PP verstärkt", Ausgabe Oktober 1984, ist glasfaserverstärktes Polypropylen bekannt. Da zwischen dem Polypropylen und den Glasfasern keine chemische Kopplung besteht, verliert der bekannte glasfaserverstärkte Kunststoff an Festigkeit, wenn er chemisch aggressiven Flüssigkeiten, insbesondere Laugen, ausgesetzt ist. Die aggressiven Flüssigkeiten dringen nämlich in Zwischenräume zwischen dem Polypropylen und den Glasfasern ein und legen bei längerer Einwirkung die Glasfasern mehr und mehr frei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen glasfaserverstärkten Kunststoff so zu verbessern, daß er einer dynamischen Last und einer Einwirkung von heißem Wasser und aggressiven Flüssigkeiten, insbesondere Waschlauge, möglichst lange standhält, ohne dabei nennenswert an Festigkeit zu verlieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen glasfaserverstärkten Kunststoff gemäß Anspruch 1.

Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, daß die in dem Copolymer enthaltenen hydrolysierbaren Silangruppen die chemische Kopplung mit den Glasfasern ermöglichen. Eine chemische Kopplung von einem anorganischen Stoff wie Glas an ein reines Polyalken ist nicht möglich, weil Polyalkene wegen ihres Molekülaufbaus reaktionsträge (inert) sind. Erst durch die Copolymerisation eines Polyalkens mit einer Silanverbindung, die hydrolysierbare Silangruppen enthält, ist die chemische Kopplung zwischen dem Glas und dem auf Polyalkenbasis hergestellten Kunststoff möglich. Bei fehlender Kopplung sind zwischen den Glasfasern und dem Kunststoff Hohlräume vorhanden, in die gegebenenfalls Flüssigkeitsmoleküle eindringen ("Dochtwirkung" der Hohlräume). Wenn die Flüssigkeiten chemisch aggressiv sind, vergrößern sich die Hohlräume bei entsprechend häufiger und langer Einwirkung, wodurch die Glasfasern in weiten Bereichen mehr und mehr freigelegt werden. Auf diese Weise verliert der Werkstoff erheblich an Festigkeit.

Vorteilhaft ist der Gebrauch von Polypropylen, weil es sich um einen weitverbreiteten Werkstoff handelt, der günstig zu beschaffen ist, und wegen seines Schmelzpunktes von etwa 160°C auch mit kochendem Wasser in Berührung kommen kann, ohne an Festigkeit zu verlieren. Außerdem kann Polypropylen durch Verbrennen leicht entsorgt werden, ohne daß giftige Gase entstehen. Außerdem ist für die nahe Zukunft ein Recyclingverfahren zu erwarten, so daß Polypropylen in großem Maßstab wiederverwertbar wird.

Günstig ist die Verstärkung des Kunststoffs mit Kurzglasfasern, da wegen ihrer kleinen Abmessungen - vorzugsweise haben sie eine durchschnittliche Länge von 300 µm - eine besonders haltbare chemische Kopplung hergestellt wird und weil außerdem beim Spritzgießen die Kurzglasfasern nicht nennenswert zerstört werden.

Von Vorteil ist die Verwendung des glasfaserverstärkten Kunststoffs für ein Formteil in einem Haushaltsgerät, denn bei den üblicherweise hohen Stückzahlen, mit denen Haushaltsgeräte hergestellt werden, lohnt die Anfertigung von Gußformen, mit Hilfe derer die Formteile durch Spritzgießen schnell hergestellt werden können.

Besonders günstig ist die Verwendung des Kunststoffs bei der Herstellung von Laugenbottichen für Waschmaschinen, weil der glasfaserverstärkte Kunststoff Waschlauge, Hitze und dynamische Beanspruchung aushalten kann. Bei herkömmlichen Waschmaschinen bestehen die Waschlaugenbottiche aus Edelstahl. Es muß ein Material mit hoher Festigkeit verwendet werden, da die Waschlaugenbottiche hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind; sie besitzen nämlich eine Halterung für den Motor und nehmen die Waschtrommel auf. Außerdem steht in den Bottichen während des Waschvorgangs die heiße Waschlauge, die mit einer Heizschleife, die üblicherweise in einer kleinen Vertiefung im Boden des Waschlaugenbottichs untergebracht ist, aufgeheizt wird. Infolgedessen muß der Waschlaugenbottich zusätzlich zu der mechanischen Belastung die von der Heizschleife abgegebene Wärme und die möglicherweise aggressiv wirkende Waschlauge aushalten. Von Vorteil ist die Anfertigung des Waschlaugenbottichs durch Spritzgießen, weil in diesem Falle - anders als bei der Verwendung von Edelstahl - in einem Produktionsschritt die Herstellung abgeschlossen ist und nicht etwa zusätzliche Schweißarbeiten - z. B. zur Anbringung der Motoraufhängung - anfallen. Obwohl die Anfertigung der Spritzgußform sehr teuer ist, ergibt sich bei einer Massenherstellung ein wirtschaftlicher Vorteil für das Spritzgießen gegenüber der Anfertigung aus Edelstahl.

Wenn die chemische Kopplung zwischen dem Copolymer und den Glasfasern nach der Verarbeitung des Kunststoffs zu einem Kunststoffteil durchgeführt wird, ergibt sich als Vorteil, daß die erwünschte chemische Kopplung zwischen den Glasfasern und dem Kunststoff nicht durch nachfolgende Produktionsschritte teilweise wieder aufgebrochen wird.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in zwei Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, aus dem sich weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.

Fig. 1 veranschaulicht vereinfachend und ohne Berücksichtigung der richtigen Proportionen den Herstellungsweg eines Formteils aus glasfaserverstärktem Kunststoff.

Fig. 2 zeigt die Molekülstruktur des an eine Glasfaser angekoppelten Copolymers mit Polypropylen und einer Silanverbindung.

Das reines Polypropylen keine Verbindung mit Kurzglasfasern eingeht, wird gemäß Fig. 1 ein Copolymer (1) als Rohmaterial für den Kunststoff benötigt; zu seiner Herstellung wird zunächst eine hydrolysierbare Silanverbindung mit der Strukturformel

wobei x eine ganze Zahl größer null ist, in reines Polypropylen mit der Strukturformel

wobei y eine ganze Zahl größer null ist, einpolymerisiert. Es entsteht das Copolymer (1) mit folgender Strukturformel:

Dieses Copolymer (1) wird granuliert.

Das Granulat des Copolymers (1) wird in einem anschließenden Produktionsschritt bei einer Temperatur zwischen 180°C und 200°C geschmolzen und mit Kurzglasfasern (2), die eine Länge von durchschnittlich etwa 300 µm haben, vermengt. Diese Mischung (3) aus dem geschmolzenen Copolymer (1) und den Kurzglasfasern (2) wird abgekühlt und die daraus entstehende Substanz granuliert. Die chemische Kopplung zwischen den Kurzglasfasern (2) und dem Copolymer (1) wird erst durch die Zugabe von Wasser ausgelöst. Wenn zur Abkühlung der heißen Mischung (3) in dem obengenannten Verfahrensschritt ein herkömmliches Kühlverfahren mit Wasserkühlung angewendet wird, kommt die Mischung (3) zwangsläufig mit Wasser in Berührung, und es wird die chemische Kopplung zwischen dem Copolymer (1) und den Kurzglasfasern (2) vor dem Granulieren ausgelöst. Wenn das Vermengen der Kurzglasfasern (2) mit dem geschmolzenen Copolymer (1) und das Granulieren in vollständiger Trockenheit vorgenommen werden, vollzieht sich die chemische Kopplung, für deren Auslösung Wasser nötig ist, in einem späteren Produktionsschritt; falls in unbeabsichtigter Weise beim Vermengen oder beim Granulieren des Kunststoffs etwas Wasser in die Schmelze oder an den Kunststoff gelangt ist, wird dadurch noch nicht die chemische Kopplung vollständig vollzogen. Wenn aus dem Kunststoff ein Laugenbottich für eine Waschmaschine hergestellt werden soll, findet die vollständige chemische Kopplung statt, sobald zum ersten Mal Wasser in die Waschmaschine geleitet wird; dieser Vorgang läuft beim Kunden ab, wenn er die Waschmaschine zum erstenmal benutzt.

Alle Herstellungsschritte bis zum Granulieren der abgekühlten Mischung (3) aus dem Copolymer (1) und den Kurzglasfasern (2) könnten in einem Chemiewerk vorgenommen werden.

Die Mischung (3) kann nach dem Granulieren leicht verpackt und transportiert werden und eignet sich zum Spritzgießen von Formteilen (4).

Da das Spritzgießen recht schnell abläuft, läßt sich dieser Vorgang günstig in einen Produktionsablauf einfügen, der ohne aufwendige Lagerhaltung von Zwischenprodukten auskommt.

Durch Spritzgießen lassen sich bei Verwendung geeigneter Formen in einem einzigen Schritt auch stark verwinkelte und fein ausgestaltete Bauteile herstellen.

Fig. 2 vermittelt eine Vorstellung von der chemischen Kopplung zwischen dem Copolymer (1) und den Kurzglasfasern (2). Jede Kurzglasfaser (2) weist an ihrem Rand OH-Gruppen (5) auf. Eine OH-Gruppe (6) ist mit einem Alkylrest (7), der aus einem Kohlenstoffatom und drei Wasserstoffatomen besteht und der vor der chemischen Kopplung Bestandteil des Copolymers (1) war, eine chemische Verbindung eingegangen. Bei dieser Verbindung handelt es sich um einen Alkohol (8), der freigesetzt wird. Die Kurzglasfaser (2) ist über ein Sauerstoff-Atom O, mit dem vor der Kopplung der Alkylrest (7) verbunden war, an das Copolymer (1) angekoppelt.

Claims (13)

1. Glasfaserverstärkter Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Copolymer (1) mit einem Polyalken und einer Silanverbindung, die hydrolysierbare Silangruppen enthält, ist und daß das Copolymer (1) mit den Glasfaser chemisch gekoppelt ist.

2. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyalken Polypropylen ist.

3. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Silanverbindung eine Verbindung mit folgender Strukturformel ist: wobei m eine beliebige ganze Zahl größer null ist und R₁, R₂ und R₃ gleiche oder verschiedene Alkylreste der Form C_nH_2n+1 mit n=1, 2, 3 . . . 8 sind.

4. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß n gleich 1, 2, oder 3 ist.

5. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfasern Kurzglasfasern (2) sind.

6. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Kopplung durch Wassereinwirkung ausgelöst ist.

7. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung für ein Formteil in einem Haushaltsgerät.

8. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung für einen Laugenbottich in einer Waschmaschine.

9. Glasfaserverstärkter Kunststoff nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Verwendung für ein Formteil in einem Geschirrspüler.

10. Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffs nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Silanverbindung, die hydrolysierbare Silangruppen enthält, in Polypropylen einpolymerisiert wird und daß anschließend bei einer Temperatur zwischen 160°C und 220°C unter Wassereinwirkung das geschmolzene Copolymer (1) mit Glasfasern vermengt wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Silanverbindung, die hydrolysierbare Silangruppen enthält, in Polypropylen einpolymerisiert und bei einer Temperatur zwischen 160°C und 220°C das geschmolzene Copolymer (1) wasserfrei mit Kurzglasfasern (2) vermengt wird und daß anschließend die chemische Kopplung durch Wasser ausgelöst wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Temperatur im Bereich von 180°C bis 200°C.

13. Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffs nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Kopplung zwischen dem Copolymer und den Glasfasern nach der Verarbeitung des Kunststoffs zu einem Kunststoffteil durchgeführt wird.