DE4112172A1 - Fibre reinforced thermoplastic material - has same compsn. for matrix and reinforcing fibres to allow easy recycling - Google Patents

Fibre reinforced thermoplastic material - has same compsn. for matrix and reinforcing fibres to allow easy recycling

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Abstract

A recyclable fibre-reinforced thermoplastic material has a matrix material similar to that of the reinforcing fibres. The synthetic fibres are mixed in a reactor with at least one monomer which polymerises to form the matrix. The melt temp. range of the fibres is higher than the melt temp. range of the matrix, though they can overlap to a certain extent. Alternatively there is no overlap between the ranges. The synthetic fibres and reaction mixt. can be extruded. The fibre content can comprise 15-60% of the total. USE/ADVANTAGE - The material can easily be recycled as it has only one component. It takes advantage of the difference in melting temp. between oriented and unoriented material

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff und mit aus Fasern aufgebauten Verstärkungseinlagen.The invention relates to a method for manufacturing of a reprocessable fiber composite material a matrix made of a thermoplastic and with reinforcement inserts made of fibers.

Zur Herstellung insbesondere technischer Bauteile werden heute vielfach faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, deren Festigkeitseigenschaften durch Einlagerung hochfester Fasern - beispielsweise aus Glas, Kohlenstoff oder Metall - in den Matrix-Werkstoff wesentlich verbessert werden. Ein Nachteil dieser konventionell faserverstärkten Kunststoffe besteht darin, daß sie, im Vergleich zu unverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, allenfalls mit erhöhtem oder sogar nicht vertretbarem Aufwand wiederaufbereitet (recycliert) werden können.For the production of technical components in particular are now often fiber-reinforced plastics used, the strength properties of Storage of high-strength fibers - for example, from Glass, carbon or metal - in the Matrix material can be significantly improved. A Disadvantage of this conventionally fiber reinforced Plastics is that, compared to unreinforced thermoplastics, at most with increased or even unacceptable Effort can be reprocessed (recycled).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs zu ermöglichen. Der Faserverbundwerkstoff soll dabei in der Weise beschaffen sein, daß nach der Wiederaufbereitung keine Mischung aus unterschiedlichen, eventuell störenden Bestandteilen, sondern ein sortenreiner Kunststoff vorliegt; dieser sollte derartige Eigenschaften aufweisen, daß er ggf. auch als Matrix-Werkstoff für die Neubildung eines Faserverbundwerkstoffs Verwendung finden kann.The invention is based, which Making a recyclable To enable fiber composite material. The fiber composite material is said to be in this way be that after reprocessing no mix of different, possibly disruptive components, but a pure variety Plastic is present; this should be such Have properties that he may also as  Matrix material for the new formation of a Fiber composite material can be used.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The task is accomplished through a process with the Features of claim 1 solved.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, als Verstärkungseinlagen Synthesefasern aus einem thermoplastischen Kunststoff - dessen Struktur derjenigen des Matrix-Werkstoffs zumindest sehr ähnlich ist - in einen Reaktor einzubringen und sie in diesem mit einem reaktiven Gemisch mit zumindest einem Monomer zu tränken, welches erst anschließend vollständig auspolymerisiert und dabei die Matrix bildet.The basic idea of the invention is as Reinforcing inserts made of synthetic fibers thermoplastic - its structure at least very much that of the matrix material is similar - to put in a reactor and them in this with at least a reactive mixture to soak a monomer, which only afterwards fully polymerized and the matrix forms.

Die Erfindung baut dabei auf der Erkenntnis auf, daß die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern aufgrund des höheren Orientierungsgrades der Fasermoleküle jeweils höher liegt als die untere bzw. obere Temperaturgrenze des Matrix-Werkstoffs bei sich allenfalls teilweise überlappenden Temperaturbereichen der beiden Schmelzbereiche. Durch eine an die Kunststoffeigenschaften angepaßte Wärmezufuhr und Temperaturführung bei der Wiederaufbereitung (Recycling) kann der Matrix-Werkstoff daher ggf. in der Weise aufgeschmolzen werden, daß die Faserstruktur der eingelagerten Synthesefasern nicht völlig verloren geht. Der Aufbereitungswerkstoff kann dementsprechend u. U. auch bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen als der Matrix-Werkstoff allein vor der Wiederaufbereitung.The invention is based on the knowledge that the lower and upper temperature limit of the Melting range of the synthetic fibers due to the higher degree of orientation of the fiber molecules in each case is higher than the lower or upper one Temperature limit of the matrix material itself at least partially overlapping Temperature ranges of the two melting ranges. By one adapted to the plastic properties Heat supply and temperature control at the Reprocessing (recycling) can Matrix material therefore, if necessary, in this way be melted that the fiber structure of the embedded synthetic fibers are not completely lost goes. The processing material can accordingly u. U. also have better strength properties than the matrix material alone before Reprocessing.

Als thermoplastische Kunststoffe für den Matrix-Werkstoff und die Synthesefasern kommen insbesondere Kunststoffe in Frage, die derselben Familie zuzurechnen sind. Allgemein sollten die beiderseitigen Kunststoffe einander derart ähnlich sein, daß sich durch Wiederaufbereitung des Faserverbundwerkstoffs der bereits erwähnte sortenreine Kunststoff erzeugen läßt.As thermoplastics for the Matrix material and the synthetic fibers are coming especially plastics in question, the same Family. In general, the mutual plastics so similar to each other be that by reprocessing the  Fiber composite material already mentioned pure plastic can be produced.

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, bei denen Fasern in einem Reaktor mit einem flüssigen, reaktiven Gemisch (mit zumindest einem Monomer) getränkt werden, welches erst anschließend vollständig auspolymerisiert und dabei die Matrix bildet, sind bereits bekannt (Dr.-Ing. Michael Begemann, technisch­ wissenschaftlicher Bericht des Instituts für Kunststoffverarbeitung an der Technischen Hochschule Aachen "Langfaserverstärkung im RIM-Verfahren", 1989, bzw. Druckschrift "Reaktive Extrusion - Polymersynthese im Kunststoffbetrieb" des Instituts für Kunststoffverarbeitung an der Technischen Hochschule Aachen). Als in Frage kommende Verstärkungseinlagen werden dabei Glas-, Kohlenstoff-, Metallfasern, hochfeste polymere Fasern und Standard-Filamente erwähnt (vgl. dazu Seite 23 der erstgenannten Veröffentlichung).Process for producing a Fiber composite material, in which fibers in one Reactor with a liquid, reactive mixture (with at least one monomer), which only then fully polymerized and forms the matrix are already known (Dr.-Ing.Michael Begemann, technical scientific report of the Institute for Plastic processing at the technical university Aachen "Long fiber reinforcement using the RIM method", 1989, or publication "reactive extrusion - Polymer Synthesis in the Plastics Plant "of the institute for plastics processing at the technical Aachen University of Applied Sciences). As eligible Reinforcement inserts are glass, Carbon, metal fibers, high-strength polymer fibers and standard filaments mentioned (see page 23 the first mentioned publication).

Im Rahmen der Erfindung können ggf. Zusätze zur Anwendung kommen (beispielsweise Aktivatoren, Katalysatoren, Füllstoffe, Farbstoffe) unter der Voraussetzung, daß sie sich im Hinblick auf die Wiederaufbereitbarkeit nicht störend auswirken, sich also insoweit möglichst neutral oder inert verhalten.In the context of the invention, additives for Application (for example activators, Catalysts, fillers, dyes) under the Prerequisite that they with regard to the Reprocessability does not interfere with yourself So be as neutral or inert as possible.

Im Hinblick auf die Festigkeitseigenschaften des wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs ist die Durchführung des Verfahrens mit Synthesefasern besonders vorteilhaft, deren Schmelzbereich vollständig oberhalb des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs liegt (Anspruch 2). Auf diese Weise läßt sich ggf. durch Recyclieren ein Aufbereitungswerkstoff gewinnen, welcher hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften (insbesondere Elastizitätsmodul, Schlagzähigkeit, Zugfestigkeit) mit dem Matrix-Werkstoff im Ausgangszustand vergleichbar ist oder diesen sogar übertrifft.With regard to the strength properties of the is the recyclable fiber composite Implementation of the process with synthetic fibers particularly advantageous whose melting range completely above the melting range of the Matrix material is (claim 2). In this way can be recycled if necessary Processing material win, which regarding its strength properties (in particular Modulus of elasticity, impact strength, tensile strength)  with the matrix material in the initial state is comparable or even exceeds it.

Das Verfahren kann weiterhin in der Weise ausgestaltet sein, daß das reaktive Gemisch in den Reaktor injiziert wird, nachdem in diesen zuvor die Synthesefasern eingebracht worden sind (Anspruch 3). Die Synthesefasern können dabei in den unterschiedlichsten, ggf. auch miteinander kombinierten Erscheinungsformen im Reaktor vorliegen, beispielsweise als Endlosfasern in Form mehrdimensionaler Gewebe, als unidirektionale oder multiaxiale Gelege oder Gewirke, als gerichtet oder statistisch verteilte Kurz-, Mittel- oder Langschnittfasern.The procedure can continue in this way be designed so that the reactive mixture in the After the reactor is injected into the reactor Synthetic fibers have been introduced (claim 3). The synthetic fibers can be in the very different, possibly also with each other combined manifestations are present in the reactor, for example in the form of continuous fibers multidimensional tissue, as unidirectional or multiaxial scrims or knitted fabrics, as directed or statistically distributed short, medium or Long cut fibers.

Eine andersartige Ausführungsform des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern zumindest zum Teil mit dem reaktiven Gemisch in den Reaktor injiziert werden (Anspruch 4). Der wiederaufbereitbare Faserverbundwerkstoff läßt sich dabei in der Weise erzeugen, daß die Synthesefasern geschnitten oder als Endlosfasern über eine Zuführeinrichtung, insbesondere in Gestalt einer Beschickungsschnecke, dem reaktiven Gemisch zugeführt werden. In Verbindung mit Kolbenaggregaten kann eine Verarbeitung durch Spritzgießen oder Blasformen erfolgen.Another embodiment of the method is characterized in that the synthetic fibers at least in part with the reactive mixture in the Reactor are injected (claim 4). The Recyclable fiber composite material can be produce in such a way that the synthetic fibers cut or as continuous fibers over a Feeding device, in particular in the form of a Feed screw, fed to the reactive mixture will. In connection with piston units, a Processing by injection molding or blow molding respectively.

Eine kombinierte Vorgehensweise ergibt sich dadurch, daß die Synthesefasern jeweils teilweise in den Reaktor eingebracht (Anspruch 3) bzw. mit dem reaktiven Gemisch in diesen injiziert werden (Anspruch 4).A combined procedure results from that the synthetic fibers each partially in the Reactor introduced (claim 3) or with the reactive mixture to be injected into this (Claim 4).

Abweichend von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann der wiederaufbereitbare Faserverbundwerkstoff auch mittels eines eines Extrusionsvorgangs hergestellt werden (Anspruch 5), beispielsweise durch Behandlung der Synthesefasern und des reaktiven Gemischs in einem Zweischneckenkneter.Deviating from those previously described Embodiments can be the reprocessable Fiber composite material also by means of a Extrusion process are produced (claim 5), for example by treating the synthetic fibers  and the reactive mixture in one Twin-screw kneader.

Theoretisch kann der Anteil an Synthesefasern im Faserverbundwerkstoff sehr hoch sein (d. h. bis zu 99 Gew.-% betragen).Theoretically, the proportion of synthetic fibers in the Fiber composite material can be very high (i.e. up to 99% by weight).

Falls der wiederaufbereitbare Faserverbundwerkstoff für die Herstellung technischer Bauteile bestimmt ist, sollten die Synthesefasern derart eingebracht werden, daß ihr Anteil zwischen 15 bis 60 Gew.-% des Faserverbundwerkstoffs beträgt (Anspruch 6).If the recyclable fiber composite material intended for the production of technical components the synthetic fibers should be introduced in this way be that their share between 15 to 60 wt .-% of Fiber composite material is (claim 6).

Als den Matrix-Werkstoff und die Synthesefasern bildende thermoplastische Kunststoffe kommen insbesondere thermoplastische Polyester (PET, PBT, PC), Polyamide (z. B. Polyamid 6, Polyamid 6.6) oder Polystyrol in Frage.As the matrix material and the synthetic fibers forming thermoplastic materials come especially thermoplastic polyester (PET, PBT, PC), polyamides (e.g. polyamide 6, polyamide 6.6) or Polystyrene in question.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Fließschemas erläutert. Als monomere Ausgangskomponente 1 kommt dabei ε-Caprolactam zur Anwendung, welches nebst Aktivator 2 und Katalysator 3 in einen Reaktor 4 eingebracht wird, welcher aus Polyamid hergestellte Synthesefasern 5 enthält.The invention is explained below with reference to a flow diagram shown in the drawing. The monomeric starting component 1 used here is ε-caprolactam, which, together with activator 2 and catalyst 3, is introduced into a reactor 4 which contains synthetic fibers 5 made from polyamide.

Im Reaktor 4 läuft eine anionische Polymerisation ab, in welcher das reaktive Gemisch aus den Bestandteilen 1 bis 3 vollständig auspolymerisiert und dabei den mit den Synthesefasern 5 verbundenen Matrix-Werkstoff bildet. Der den Reaktor 4 verlassende Faserverbundwerkstoff 6 besteht aus mit Polyamidfasern verstärktem Polyamid 6.An anionic polymerization takes place in the reactor 4 , in which the reactive mixture of the constituents 1 to 3 polymerizes completely and thereby forms the matrix material connected to the synthetic fibers 5 . The fiber composite material 6 leaving the reactor 4 consists of polyamide 6 reinforced with polyamide fibers.

Dieses Erzeugnis ist im Sinne der erfindungsgemäßen Lehre insoweit wiederaufbereitbar, als die Synthesefasern 5 und der im Reaktor 4 gebildete Matrix-Werkstoff der gleichen Kunststoffamilie angehören und dementsprechend nach dem Recycling einen sortenreinen Kunststoff bilden; dieser läßt sich - abhängig von den geforderten Eigenschaften - erneut ggf. auch als Matrix-Werkstoff einsetzen.This product can be reprocessed in the sense of the teaching according to the invention insofar as the synthetic fibers 5 and the matrix material formed in the reactor 4 belong to the same family of plastics and accordingly form a pure plastic after recycling; Depending on the required properties, this can also be used again as a matrix material.

Im Hinblick auf die Wiederverwendung günstige Eigenschaften lassen sich durch das Zusammenwirken von Matrix-Werkstoffen und Synthesefasern mit zumindest sehr ähnlicher Struktur erzielen, deren Schmelzbereiche voneinander getrennt liegen. Falls also die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs unterhalb der unteren Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern liegt, kann der Matrix-Werkstoff im Rahmen eines Wiederaufbereitungsvorgangs aufgeschmolzen werden, wobei die durch die eingelagerten Synthesefasern vorgegebene Faserstruktur (zumindest teilweise) erhalten bleibt. Der dann vorliegende Aufbereitungswerkstoff weist u. U. Festigkeitseigenschaften auf, welche besser sind als diejenigen des Matrix-Werkstoffs allein im Ausgangszustand.Favorable in terms of reuse Properties can be achieved through the interaction of matrix materials and synthetic fibers with achieve at least a very similar structure whose Melting ranges are separated from each other. If the lower and upper temperature limit of the Melting range of the matrix material below the lower temperature limit of the melting range of the Synthetic fibers, the matrix material can As part of a reprocessing process are melted, the by the stored synthetic fibers specified Fiber structure (at least partially) is preserved. The processing material then present has u. U. strength properties on which better are considered as those of the matrix material alone Initial state.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines wiederaufbereitbaren Faserverbundwerkstoffs mit einer Matrix aus einem thermoplastischen Kunststoff und mit aus Fasern aufgebauten Verstärkungseinlagen, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungseinlagen Synthesefasern aus einem thermoplastischen Kunststoff - dessen Struktur derjenigen des Matrix-Werkstoffs zumindest sehr ähnlich ist - in einen Reaktor eingebracht werden, wobei die untere und obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs der Synthesefasern jeweils höher liegt als die untere bzw. obere Temperaturgrenze des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs bei sich allenfalls teilweise überlappenden Temperaturbereichen der beiden Schmelzbereiche, und daß die Synthesefasern in dem Raktor mit einem reaktiven Gemisch mit zumindest einem Monomer getränkt werden, welches erst anschließend vollständig auspolymerisiert und dabei die Matrix bildet.1. A process for producing a reprocessable fiber composite material with a matrix made of a thermoplastic and with reinforcing inserts built up from fibers, characterized in that synthetic fibers made of a thermoplastic - whose structure is at least very similar to that of the matrix material - are introduced as reinforcing inserts into a reactor are, the lower and upper temperature limit of the melting range of the synthetic fibers is higher than the lower and upper temperature limit of the melting range of the matrix material with at most partially overlapping temperature ranges of the two melting ranges, and that the synthetic fibers in the reactor with a reactive mixture be impregnated with at least one monomer, which only then fully polymerizes and forms the matrix. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Synthesefasern eingebracht werden, deren Schmelzbereich vollständig oberhalb des Schmelzbereichs des Matrix-Werkstoffs liegt.2. The method according to claim 1, characterized in that that synthetic fibers are introduced, the Melting range completely above the Melting range of the matrix material is. 3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Gemisch in den Reaktor injiziert wird, nachdem in diesen zuvor die Synthesefasern eingebracht worden sind.3. The method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the reactive Mixture is injected into the reactor after in the synthetic fibers had previously been introduced are. 4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern zumindest zum Teil mit dem reaktiven Gemisch in den Reaktor injiziert werden.4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the synthetic fibers  at least in part with the reactive mixture in the Reactor are injected. 5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern und das reaktive Gemisch einem Extrusionsvorgang unterworfen werden.5. The method according to at least one of claims 1 to 2, characterized in that the synthetic fibers and the reactive mixture an extrusion process be subjected. 6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Synthesefasern derart eingebracht werden, daß ihr Anteil zwischen 15 bis 60 Gew.-% des Faserverbundwerkstoffs beträgt.6. The method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the Synthetic fibers are introduced so that you Share between 15 to 60 wt .-% of Fiber composite material is.
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