DE4215919A1

DE4215919A1 - Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen oder hohlen Formteilen

Info

Publication number: DE4215919A1
Application number: DE4215919A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ittemann; Regina Laws
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1992-05-14
Filing date: 1992-05-14
Publication date: 1993-11-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen oder hohlen Formkörpern aus Thermoplastfaser/ Verstärkungsfaser-Hybridgarn. Hybridgarne, in denen Thermo plastfasern und Verstärkungsfasern innig vermischt sind, werden in den letzen Jahren in zunehmendem Maße zur Herstel lung von Hochleistungsverbundwerkstoffen verwendet. Die Hybridgarne sowie daraus hergestellte Flächengebilde, z. B. Geflechte, sind sehr flexibel und deshalb beliebig verform bar. Wenn man sie durch Verpressen bei Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Thermoplasten konsolidiert, schmilzt dieser und bildet ein Matrix, in der die Verstär kungsfasern in Vorzugsrichtung orientiert eingelagert sind.

Bei der Herstellung von rohrförmigen Formkörpern, z. B. von Tennisschlägerrahmen, auf dieser Basis geht man von einem rohrförmigen Hybridgarn-Geflecht aus, in das man einen auf blasbaren Schlauch einführt. Das Geflecht wird in Form eines Tennisschlägers zusammengelegt. Dieses Gebilde wird in eine Metallform eingelegt, so daß das Geflecht zu einem faserver stärkten Rohr konsolidiert. Probleme bereitet dabei der Auf bau der "Brücke" zwischen den beiden Schenkeln des Griffes, welche zur Stabilisierung des Schlägers notwendig ist. Es ist nämlich nicht möglich, den aufblasbaren Schlauch, der im äußeren Rahmen des Tennisschlägers liegt, auch in die Brücke zu verlegen, um damit die Brücke an das Rohr, aus dem der Rahmen geformt wird, direkt anzubinden und beide gemeinsam unter Druck zu setzen.

In der deutschen Patentanmeldung P 42 02 335.1 ist eine Lösung für dieses Problem beschrieben. Danach wird treib mittelhaltiges Kunststoffgranulat in einem aufblasbaren Schlauch in das rohrförmige Hybridgarngeflecht eingefüllt. Beim Erhitzen schäumt der Kunststoff auf und preßt das Ge flecht gegen die Formwand.

Es wurde nun gefunden, daß dieses Prinzip allgemein für die Herstellung von solchen rohrförmigen oder hohlen Formteilen anwendbar ist, bei denen die Stabilisierung des Hybridgarn- Geflechts durch Aufblasen eines Innenschlauches nicht oder sehr schwierig möglich ist.

Gegenstand der Erfindung ist demzufolge ein Verfahren, welches folgende Schritte umfaßt:

- man bildet ein Geflecht aus Thermoplastfaser/Verstär kungsfaser-Hybridgarn, welches die Konturen des zu bildenden Formteils aufweist,
- man führt einen dünnwandigen, dehnbaren Schlauch in das Innere des Geflechts ein,
- man legt das Gebilde in eine mehrteilige Form ein, deren Innenwände den Konturen des zu bildenden Formteils ent sprechen, und schließt die Form,
- man erhitzt die Form auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Thermoplastfasern, wobei das Hybrid garngeflecht zu einem faserverstärkten Formteil konsoli diert,
- man kühlt das Werkzeug ab und entformt.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der dehnbare Schlauch teilweise mit einem treibmittelhaltigen thermopla stischen Kunststoff gefüllt ist, welcher beim Erhitzen des Werkzeugs aufschäumt und dadurch einen Druck auf das Hybrid garngeflecht ausübt, welcher dieses gegen die Formwand preßt.

Hybridgarn aus Verstärkungsfasern und Thermoplastfasern so wie ein bevorzugtes Verfahren zu seiner Herstellung und die Verarbeitung zu Verbundwerkstoffen sind in EP-B 156 599 be schrieben. Dort wird auch erwähnt, daß aus dem Hybridgarn Gewebe hergestellt werden kann, das man zu Verbundkörpern verarbeiten kann.

Bevorzugte thermoplastische Kunststoffe für die Thermoplast fasern sind z. B. Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyphenylensulfid, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherimide und Polyetherketone; beson ders geeignet sind Polyamide, wie Polyamid-6 und Poly amid-6,6.

Geeignete Verstärkungsfasern sind solche aus Kohlenstoff, Glas und aromatischem Polyamid.

Der dünnwandige (Wanddicke vorzugsweise 0,05 bis 2,0 mm) dehnbare Schlauch besteht aus einem Material, dessen Er weichungstemperatur oberhalb der beabsichtigten Konsoli dierungstemperatur des Hybridgarn liegt. Er kann z. B. aus einem Siliconkautschuk oder aus einem zähmodifizierten hoch schmelzenden Polyamid, z. B. einem Copolyamid aus Terephthal säure, Hexamethylendiamin und Caprolactam) bestehen.

Als thermoplastische Kunststoffe für den Kunststoffschaum kommen grundsätzlich die gleichen Themoplasten in Frage wie für die Thermoplastfasern. Die Thermoplasten sollen vorzugs weise so ausgewählt werden, daß die Erweichungstemperatur des treibmittelhaltigen thermoplastischen Kunststoffs etwas niedriger liegt als die Temperatur, bei der das Hybridgarn konsolidiert wird. Dabei ist zu beachten, daß flüchtige Treibmittel im allgemeinen die Erweichungstemperatur eines Thermoplasten erniedrigen. Geeignete Thermoplasten sind z. B. Polyamide, Polyester und Polyetherimide; bevorzugt sind Polyethersulfone und Polysulfone.

Der treibmittelhaltige thermoplastische Kunststoff kann in Form von Granulat oder als Strang in den dehnbaren Schlauch eingebracht werden.

Dieses Granulat bzw. dieser Strang kann, wie z. B. in DE-A 39 25 740 beschrieben, durch Extrudieren von treib mittelhaltigem Granulat hergestellt werden. Als Treibmittel kommen bevorzugt niedrig siedende Flüssigkeiten in Frage, die den Thermoplasten nicht lösen, sondern höchstens quel len, vorzugsweise in Mengen von 1 bis 20, insbesondere von 2 bis 10 Gew.-%. Geeignete Treibmittel sind z. B. halogenierte Kohlenwasserstoffe, wie Dichlormethan und Chlorbenzol, Ke tone, wie Aceton und Methylethylketon, Ether, Alkohole, Wasser und Gemische davon. Grundsätzlich können auch chemische Treibmittel, wie Azoverbindungen und Carbonate verwendet werden.

Die Menge des eingefüllten Granulats sowie die Menge des darin enthaltenen Treibmittels bestimmen die Dichte des Schaums, der sich beim Erhitzen bildet, sowie den Innen druck, der dabei aufgebaut werden soll. Die Dichte soll zwischen 20 und 400 g/l, insbesondere zwischen 50 und 200 g/l liegen; der Innendruck in der Größenordnung von 5 bis 10 bar. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden pro cm³ eines ca. 8 Gew.-% Methylethylketon enthal tenden Polyethersulfon eingesetzt.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Formteile wird zu nächst ein rohrförmiges oder hohles Geflecht aus Hybridgarn gebildet, welches in etwa die Konturen des späteren Form teils aufweist. Die Wanddicke des konsolidierten Geflechts kann je nach Anwendungsgebiet des Formteils zwischen 0,1 und 4,0 mm liegen.

Danach wird der dünnwandige, dehnbare, mit treibmittelhalti gem Kunststoff teilweise gefüllte Schlauch eingeführt und an den Enden gasdicht verschlossen. Falls allseitig abgeschlos sene Hohlkörper hergestellt werden sollen, müssen an die Enden des rohrförmigen Hybridgarngeflechts entsprechende Abschlußstücke angesetzt werden.

Dieses Gebilde wird dann in eine mehrteilige, vorzugsweise zweiteilige Metallform eingelegt, deren Innenwände exakt den Konturen des zu bildenden Formteils entsprechen. Die Form wird geschlossen und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Matrix-Thermoplastfasern erhitzt und vor zugsweise etwa 3 bis 30 min bei dieser Temperatur gehalten. Im Falle der bevorzugten Polyamidfasern liegt die Werkzeug temperatur bei etwa 300°C.

Dabei erweicht zunächst der treibmittelhaltige thermoplasti sche Kunststoff, das Treibmittel wird freigesetzt und es bildet sich ein Kunststoffschaum, der den Schlauch aufbläst und aufgrund des Treibmitteldrucks das Hybridgarngeflecht gegen die Innenwände der Form preßt. Der Schlauch verhin dert, daß dabei das Treibmittelgas durch die Maschen des Hybridgarns entweicht; dieses wird also formhaltig stabili siert. Schließlich erweichen auch die Thermoplastfasern und das Geflecht konsolidiert. Das Werkzeug wird dann abgekühlt und das fertige Formteil kann entnommen und gegebenenfalls nachbearbeitet werden. Das sich im Innenraum befindliche Treibmittel wird beim Abkühlen wieder im Thermoplasten ge löst, es diffundiert dann sehr langsam durch die Schlauch wandung aus dem Formteil. Der Kunststoffschaum kann im Form körper belassen werden und trägt zu dessen Steifigkeit mit bei, er kann aber auch durch geeignete Lösungsmittel aus dem Formteil entfernt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Vorteil dann ange wandt, wenn rohrförmige Formteile mit variierendem Durch messer oder hohle Formteile, die allseitig abgeschlossen sind, hergestellt werden soll; wenn es also schwierig ist, den aufgeblasenen Schlauch ohne Schädigung des Formteils aus diesem wieder zu entfernen.

Das Verfahren eignet sich also beispielsweise zur Herstel lung von Golfschlägern, Baseballschlägern und Fahrradrahmen.

Beispiel

Ein 31 cm langer Silikonkautschuk, der im nicht aufgeblase nen Zustand einen Innendurchmesser von 11 mm und eine Wand dicke von 0,8 mm hat, wird zu etwa 20 % seines Volumens mit einem Granulat aus schäumbarem Polyethersulfon (ULTRASON E der BASF), welches 10 Gew.-% Methylethylenketon gelöst ent hält, gefüllt und an beiden Enden abgeklemmt. Auf diesen Schlauch wird ein Hybridgarn-Geflecht, hergestellt aus Kohlenstoffasern (CELION G 30-500, 12 K der BASF) und Poly amid (ULTRAMID BS 400 der BASF), aufgezogen. Das Geflecht ist rohrförmig mit einem Durchmesser von etwa 30 mm und einer Länge von 30 cm, der Flechtwinkel beträgt 35°. Das Ge bilde wird in ein rohrförmiges Werkzeug mit einem Innen durchmesser von 30 mm eingelegt und durch einen Metallstift, der in den Schlauch eingedrückt wird, beidseitig verschlos sen. Das Werkzeug wird 15 min lang auf 250°C aufgeheizt, 5 min bei dieser Temperatur gehalten, dann 10 min abgekühlt. Dann wird das konsolidierte Rohr (Wanddicke 1 mm) entnommen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen oder hohlen Formteilen (mit Ausnahme von Tennisschlägerrahmen nach der deutschen Patentanmeldung P 42 02 335.1), umfassend folgende Verfahrensschritte:

- man bildet ein Geflecht aus Thermoplastfaser/Ver stärkungsfaser-Hybridgarn, welches die Konturen des zu bildenden Formteils aufweist,
- man führt einen dünnwandigen, dehnbaren Schlauch in das Innere des Geflechts ein,
- man legt das Gebilde in eine mehrteilige Form ein, deren Innenwände den Konturen des zu bildenden Formteils entsprechen, und schließt die Form,
- man erhitzt die Form auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Thermoplastfasern, wobei das Hybridgarngeflecht zu einem faserverstärkten Form teil konsolidiert,
- man kühlt das Werkzeug ab und entformt,
dadurch gekennzeichnet, daß der dehnbare Schlauch teil weise mit einem treibmittelhaltigen thermoplastischen Kunststoff gefüllt ist, welcher beim Erhitzen des Werk zeugs aufschäumt und dadurch einen Druck auf das Hybrid garngeflecht ausübt, welcher dieses gegen die Formwand preßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplastfasern aus einem Polyamid bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der treibmittelhaltige Thermoplast aus einem Polyamid, einem Polysulfon oder einem Polyethersulfon besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dehnbare Schlauch aus einem vorzugsweise kautschuk modifiziertem Polyamid oder aus einem Siliconkautschuk besteht.