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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Zehen- oder Vorderkappe, die in
Sicherheitsfußbekleidung,
wie z.B. Schuhen und Stiefeln, eingesetzt wird, um die Spitze eines
Schuhs strukturell zu verstärken
und die Sicherheit, die er bietet, zu erhöhen, und ferner auf ein Verfahren
zur Herstellung derselben.
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2. Stand der Technik
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Was
Zehenkappen für
Sicherheitsschuhe anbelangt, wird bisher der Stärke der oberen Teile der Schuhe
zwecks Schutzes der Zehen ihres Trägers gegen einen zufälligen harten
Schlag große
Bedeutung beigemessen. Dementsprechend wurden Zehenkappen aus Stahl
vordem für
den tatsächlichen
Gebrauch akzeptiert. Jedoch ziehen die Sicherheitsschuhe, in denen
Zehenkappen aus Stahl zum Einsatz kommen, das Problem nach sich,
dass sie die Bewegungsfreiheit des Trägers durch eine unvermeidbare
Zunahme des Gewichts der Sicherheitsschuhe behindern, die durch
die Verwendung von Stahl als Material für die Zehenkappen bedingt ist.
Aus diesem Grund wurden jüngst
Zehenkappen aus einem Thermoplastharz, das mit Verstärkungsfasern,
wie z.B. Glasfasern, verstärkt
ist, entwickelt, um das Gewicht der Sicherheitsschuhe zu verringern.
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Bisher
wurden Zehenkappen aus einem Verstärkungsfasern enthaltenden Thermoplastharz
für Sicherheitsschuhe
durch das Platten (Sheet)-Formungsverfahren aus einem Plattenmaterial,
bestehend aus dem Verstärkungsfasern
enthaltenden Thermoplastharz, hergestellt. Spezifischerweise wird
das Plattenmaterial aus dem Verstärkungsfasern enthaltenden Thermoplastharz
auf eine Trapezform zugeschnitten, die der Zehenkappe entspricht,
und dann gewogen. Zu diesem Zeitpunkt ist es schwierig, das Plattenmaterial
auf ein festgelegtes Gewicht zuzuschneiden. Dementsprechend wird
zwecks Regulierung des Gewichts der zugeschnittenen Platte im Allgemeinen
ein Plattenstück
mit passender Form auf die passende Stelle des Plattenmaterials
aufgebracht, und das daraus resultierende Plattenmaterial wird mithilfe
eines Fern-Infrarot-Ofens erhitzt, beispielsweise um das Material
zu schmelzen und weich zu machen. Dieses Plattenmaterial 10 wird
in erweichtem Zustand in einen Hohlraum 12 einer Form oder
eines Formwerkzeugs 11b platziert, wie 1 darstellt,
und unter Beaufschlagung mit Druck und Wärme durch Kompression geformt,
indem ein Kern 13 vom oberen Teil aus herabgesenkt wird,
wie aus 4 hervorgeht. Danach wird eine
Fertigungstechnik wie das Entgraten angewandt, um die Zehenkappe
für Sicherheitsschuhe
herzustellen. Im Übrigen
bezeichnet Bezugsziffer 15 einen Auswerfer.
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Sobald
das Plattenmaterial im Verlauf des oben erwähnten Plattenformungsverfahrens
einem Tiefziehschritt unterzogen worden ist, verfügt das Plattenmaterial über einen
weithin verlängerten
Abschnitt. In diesem verlängerten
Abschnitt ist auch das Verstärkungsmaterial
verlängert.
Dies verursacht Probleme wie die Verringerung der Stärke und
insbesondere das verhältnismäßig leichte
Auftreten von Rissen im vorderen Ende des mittleren Teils eines
Randteils und ruft ferner die folgenden Schwierigkeiten hervor:
- (1) Da es sich bei dem Material um Plattenmaterial
handelt, das ein Harz und Verstärkungsfasern
umfasst, sind die Produktionskosten hoch.
- (2) Da das mit der Form einer Platte versehene Material durch
Heißschmelzen
erneut plastifiziert werden muss, leidet das Material tendenziell
unter Oxidierung und Wärmerückgang.
- (3) Wenn die Platte nach Zuschneiden und Heißschmelzen in ein Formwerkzeug
gegeben wird, muss sie dazu unter Aufwendung von Kraft gebogen werden.
Dementsprechend schwierig gestaltet sich die Realisierung von Automatisierung
und Rationalisierung.
- (4) Die Ergiebigkeit des Materials wird durch den Schritt des
Zuschneidens der Platte gesenkt. Außerdem besteht die Tendenz
zu einem Anstieg des Prozentanteils von Ausschussprodukten infolge
der fehlenden positionellen Passgenauigkeit zu dem Zeitpunkt, wo
das Plattenmaterial nach dem Heißschmelzen im Formwerkzeug
platziert wird.
- (5) Bedingt durch den Formunterschied zwischen einem Kern (konvexe
Form) und einem Hohlraum (konkave Form) des Formwerkzeugs erweist
es sich als schwierig, die Zehenkappe, insbesondere einen gekrümmten Abschnitt
davon, beliebig zu gestalten. Das Problem der Herstellung des Formwerkzeugs,
der Sammlung digitaler Daten und der Zunahme der Verarbeitungsschritte
treiben die Herstellungskosten für das
Formwerkzeug in die Höhe.
Darüber
hinaus nimmt das Auftreten von Graten in einem in 4 dargestellten „Z"-Abschnitt tendenziell zu.
- (6) Die Verwendung eines Plattenstücks zur Gewichtsregulierung
des Plattenmaterials zieht Probleme wie das Auftreten einer Schweißnaht in
einem geformten Artikel und die Verringerung oder Variation der
Stärke der
Zehenkappen nach sich.
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WO 0100392 beschreibt ein
Verfahren, um aus einem faserverstärkten Thermoplastharz eine
Zehenkappe für
einen Schuh herzustellen, bei diesem Verfahren wird zunächst eine Schmelzmasse
erzeugt, und diese Schmelzmasse wird anschließend zwecks Formung der Zehenkappe
gepresst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Somit
besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Zehenkappe
für einen
Sicherheitsschuh zu bieten, bei welcher solche Probleme, wie sie
oben erwähnt
sind, vermieden werden, welche ein geringes Gewicht besitzt, eine
einheitliche und hohe Stärke
aufweist und welche ferner die Herstellung eines geformten Artikels
ermöglicht,
dem keine Variation der Stärke
oder Verschlechterung des Aussehens anzuhaben ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Verfügung
zu stellen, welches in der Lage ist, eine Zehenkappe mit hoher Stärke für einen
Sicherheitsschuh bei hoher Ergiebigkeit und bei geringerer Variation
der Stärke
hervorzubringen, und welches die Umgehung eines herkömmlichen Plattenzuschneideschritts,
die mühelose
Anwendung des automatischen Wiegens, die Verringerung des Prozentanteils
der Ausschussprodukte infolge von falschem Einfüllen eines Materials in ein
Formwerkzeug oder fehlender Passgenauigkeit und ferner die Verbesserung
der Formbarkeit ermöglicht.
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Zur
Erfüllung
der oben beschriebenen Aufgaben bietet die vorliegende Erfindung
eine Zehenkappe, gefertigt aus einer Schmelzmasse aus einem faserverstärkten thermoplastischen
Grundmaterial, für
einen Sicherheitsschuh, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer
Pseudozehenkappe geformt ist, die einen gekrümmten Abschnitt aufweist und
die primär
durch die Verwendung eines faserigen Pelletmaterials aus einem langfaserverstärkten Thermoplastharz
geformt wird, und dass der Anteil vom Verstärkungsfasergehalt in einem
Randteil zu jenem in einem Hauptkörperteil im Bereich von 70
bis 100% liegt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist die Zehenkappe eine Wanddicke auf,
die in einen Bereich von 2 bis 6 mm fällt. Im Übrigen befindet sich die Dicke
des vorderen Endes der Zehenkappe bevorzugt im Bereich von 3,5 bis
6 mm. Vorzugsweise handelt es sich bei der Verstärkungsfaser um Glasfaser, und
ihr Gehalt liegt im Bereich von 30–60 Vol.-% im Hauptkörperteil
und von 21 bis 60 Vol.-% im Randteil. Bei Berücksichtigung der Eigenschaften
der Zehenkappe für
einen herzustellenden Sicherheitsschuh ist es stärker erwünscht, dass der Anteil vom
Verstärkungsfasergehalt
im Randteil zu jenem im Hauptkörperteil
im Bereich von 80 bis 100% liegt.
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Die
Zehenkappe der vorliegenden Erfindung, wie oben erwähnt, ist
leicht und homogen und weist überdies
eine hohe Stärke
auf.
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Des
Weiteren bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
einer Zehenkappe für
einen Sicherheitsschuh, welches Verfahren gekennzeichnet ist durch
Umfassen des Platzierens eines faserigen Pelletmaterials aus einem
langfaserverstärkten
Thermoplastharz in einer pseudoformgebenden Form, des Komprimierens
des faserigen Pelletmaterials in derselben unter Beaufschlagung
mit Wärme,
um primär
eine Pseudozehenkappe mit einem gekrümmten Abschnitt zu formen,
des In-Position-Bringens der entstandenen Pseudozehenkappe in einem
Formwerkzeug zum Formen einer Zehenkappe für einen Sicherheitsschuh und des
Beaufschlagens der Pseudozehenkappe mit Druck und Wärme, um
die Zehenkappe für
einen Sicherheitsschuh durch Kompression zu formen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das faserige Pelletmaterial aus langfaserverstärktem Thermoplastharz
in der pseudoformgebenden Form durch Beaufschlagung mit Wärme, z.B.
mittels erhitzter Luft, eines Heizgeräts, etc. plastifiziert, um
die Pseudozehenkappe mit einem gekrümmten Abschnitt herzustellen.
Stärker
bevorzugt erfolgt das primäre
Formen der Pseudozehenkappe in der pseudoformgebenden Form durch
Beaufschlagung mit einem Druck von 0,5 bis 10 kg/cm2 und einer Temperatur
von 190 bis 270°C, und
das Pressformen im Formwerkzeug zum Formen einer Zehenkappe für einen
Sicherheitsschuh wird durch Beaufschlagung mit einem Druck von 300
bis 800 kg/cm2 und einer Temperatur von 70 bis 160°C vorgenommen.
Es ist vorzuziehen, dass das faserige Pelletmaterial aus langfaserverstärktem Thermoplastharz
einen Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 5 mm und eine Länge im Bereich
von 7 bis 55 mm besitzt. Vorzugsweise handelt es sich bei der im
faserigen Pelletmaterial aus langfaserverstärktem Thermoplastharz enthaltenen
Verstärkungsfaser
um eine Glasfaser, deren Gehalt im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%
liegt.
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Dass
das Verfahren der vorliegenden Erfindung das faserige Pelletmaterial
aus langfaserverstärktem Thermoplastharz
nutzt, erlaubt die Verringerung von Materialkosten, die Umgehung
eines Plattenzuschneideschritts, der beim herkömmlichen Plattenformungsverfahren
Anwendung findet, die mühelose
Durchführung des
automatischen Wiegens und somit eine erhebliche Verbesserung der
Materialeffizienz. Da das gewogene Pelletmaterial in die pseudoformgebende
Form gefüllt
wird, um primär
die Pseudozehenkappe zu formen, und die daraus hervorgehende Pseudozehenkappe,
die ihren geschmolzenen Zustand beibehält, sofort einer Formung durch
Kompression im Formwerkzeug unterzogen wird, eröffnet sich ferner die Möglichkeit,
den Prozentanteil von Ausschussprodukten, die infolge von fehlerhaftem
Einfüllen
des Materials in die Form oder fehlender positioneller Passgenauigkeit
entstanden sind, zu senken, die Formbarkeit zu verbessern und die
Variationen bezüglich
der Stärke
zu verringern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor, in denen
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1 eine
fragmentarische Querschnittdarstellung ist, die schematisch ein
Beispiel für
einen herkömmlichen
Schritt zur Formung einer Zehenkappe durch Verwendung des Formplattenmaterials
veranschaulicht; gezeigt wird ein Zustand vor der Formung mittels
Kompression;
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2 eine
Perspektivdarstellung ist, die schematisch ein Beispiel für eine Pseudozehenkappe
veranschaulicht, die in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt;
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3 eine
fragmentarische Querschnittdarstellung ist, die schematisch ein
Beispiel für
einen Schritt zur Formung der Pseudozehenkappe der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht; gezeigt wird ein Zustand vor der Formung
mittels Kompression;
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4 eine
fragmentarische Querschnittdarstellung ist, die schematisch ein
Beispiel für
einen Schritt zur Formung der Zehenkappe der vorliegenden Erfindung
zum Zeitpunkt der Formung mittels Kompression veranschaulicht;
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5 eine
fragmentarische Querschnittdarstellung ist, die schematisch ein
Beispiel für
den Schritt der Formung der Zehenkappe der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht; gezeigt wird ein Zustand nach der Formung mittels
Kompression;
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6 eine
Perspektivdarstellung ist, die schematisch ein Beispiel für die Zehenkappe
für einen
Sicherheitsschuh gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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7 eine
Darstellung im Querschnitt entlang der Linie VII-VII aus 6 ist;
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8 ein
Schaubild ist, das die Kompressionslasten aufzeigt, welche auf die
im Beispiel und im Vergleichsbeispiel hergestellten Zehenkappen
wirken; und
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9 eine
schematische Darstellung ist, welche unter Betrachtung von der Rückseite
die Positionen der Entnahme von Proben aus den Zehenkappen angibt,
die im Beispiel und im Vergleichsbeispiel hergestellt wurden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Zehenkappe für
einen Sicherheitsschuh gemäß der vorliegenden
Erfindung wird aus einem langfaserverstärkten Thermoplastharz gefertigt.
Bei einem bevorzugtem Verfahren zur Herstellung der Zehenkappe umfasst
das grundlegende charakteristische Merkmal das Platzieren eines
faserigen Pelletmaterials aus einem langfaserverstärkten Thermoplastharz
in einer pseudoformgebenden Form, das Komprimieren des faserigen
Pelletmaterials in derselben unter Beaufschlagung mit Wärme, um
primär
eine Pseudozehenkappe zu formen, das In-Position-Bringen der entstandenen
Pseudozehenkappe in einem Formwerkzeug zur Formung einer Zehenkappe
für einen
Sicherheitsschuh und das Beaufschlagen der Pseudozehenkappe mit
Druck und Wärme,
um die Zehenkappe für
einen Sicherheitsschuh durch Kompression zu formen.
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Spezifischerweise
beruht das erste charakteristische Merkmal des Verfahrens zur Herstellung
der Zehenkappe gemäß der vorliegenden
Erfindung auf der Tatsache, dass anstatt eines bisher eingesetzten
teuren Plattenmaterials das faserige Pelletmaterial aus langfaserverstärktem Thermoplastharz
als Material genutzt wird, das einen Grossteil der Herstellungskosten
für die
Zehenkappe ausmacht.
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Die
Verwendung des faserigen Pelletmaterials aus langfaserverstärktem Thermoplastharz
schafft die Möglichkeit,
die Schritte des Zuschneidens der Platte und der Gewichtsregulierung
einer Platte mit einem Stück
Platte, wie beim herkömmlichen
Plattenformungsverfahren üblich,
zu umgehen und das Wiegen des Materials zu automatisieren.
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Das
zweite charakteristische Merkmal besteht in der Tatsache, dass,
anders als beim Schmelzen und Erweichen eines herkömmlichen
Plattenmaterials bei der Materialplastifizierung, die Pseudozehenkappe,
welche bessere Eigenschaften bezüglich
des Einfüllens
in eine Hauptform aufweist, zunächst
durch Verwendung eines Pelletmaterials gebildet und dann zur Zehenkappe
geformt wird. Dieses Verfahren erlaubt eine bemerkenswerte Verbesserung
der Formbarkeit.
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Beim
herkömmlichen
Verfahren wird die Plastifizierung des Plattenmaterials im Allgemeinen
durch den Einsatz einer Vorrichtung mit einem Fern-Infrarot-System
hervorgerufen, was die Herstellungskosten in die Höhe treibt
und die Plastifizierung des Materials langwierig macht. Dagegen
besteht, da das faserige Pelletmaterial aus langfaserverstärktem Thermoplastharz
dünn ist
und über
eine gute Wärmeleitfähigkeit
verfügt,
die Möglichkeit,
die Plastifizierung innerhalb kurzer Zeit vorzunehmen. Dementsprechend
kann primär
die Pseudozehenkappe innerhalb kurzer Zeit geformt werden. Weiterhin
ist es möglich,
die Automatisierung und Mechanisierung des Einfüllvorgangs und der Gewichtsregulierung
des Materials mit korrekter Steuerung zu realisieren und den Entgratungsschritt
bei der sekundären
Verarbeitung zu reduzieren.
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Wenn
das faserige Pelletmaterial aus langfaserverstärktem Thermoplastharz zur Fertigung
der Zehenkappe benutzt wird, wie oben erwähnt, nimmt der geformte Artikel
kein minderwertiges Aussehen an und kränkelt auch nicht an einer Abnahme
oder ungleichmäßigen Verteilung
seiner Stärke,
weil er im Verlauf der Formgebung eine gute Fließfähigkeit aufweist. Des Weiteren
ist es möglich,
eine Zehenkappe für
einen Sicherheitsschuh herzustellen, welche nach ihrer Formung,
da sie auch im Randbereich über
einen hohen Gehalt an Verstärkungsfasern
verfügt,
eine einheitliche hohe Stärke
bewahrt, leicht ist und der Druckbelastung, die in JIS (Japanese
Industrial Standard) T8101 für
Sicherheitsschuhe aus Leder spezifiziert ist, sowohl in Klasse S
als auch in Klasse L standhält.
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Nun
wird die vorliegende Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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Bei
der Herstellung der Zehenkappe für
einen Sicherheitsschuh gemäß der vorliegenden
Erfindung wird zunächst
ein faseriges Pelletmaterial aus langfaserverstärktem Thermoplastharz, wie
nachstehend beschrieben, automatisch gewogen, in einer Form 11a zur
Formung einer Pseudozehenkappe platziert, wie 3 zeigt,
und dann auf die Schmelz- und Erweichungstemperatur des Harzes,
vorzugsweise bei etwa 190 bis 270°C
und einem Formerhaltungsdruck von 0,5 bis 10 kg/cm2, erhitzt, um
eine Pseudozehenkappe 1 zu formen, wie sie in 2 dargestellt
ist (diese Form verfügt
nicht über
ein Randteil, und viele der Pellets befinden sich in einem Zustand,
in dem sie teilweise miteinander verbunden sind). Als Wärmequelle
lässt sich
erhitzte Luft, ein Heizgerät,
etc. einsetzen. Das Formen kann durch eine Pressmaschine mit niedrigem
Druck erfolgen, die mit einem zweckgemäßen Formwerkzeug ausgerüstet ist.
Falls der Formerhaltungsdruck auf einen solch hohen Druck ansteigt,
dass er 10 kg/cm2 überschreitet,
neigen die Verstärkungsfasern
im Pellet zum Zerbrechen.
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Dann
wird die entstandene Pseudozehenkappe 1 in einem Hohlraum 12 eines
Formwerkzeugs 11b platziert, wie 4 und 5 veranschaulichen;
das Pressformen einer Zehenkappe 2 wird durch Beaufschlagen
der Pseudozehenkappe mit Druck und Wärme bewirkt, indem ein Kern 13,
wie in 4 gezeigt, gesenkt wird, und die geformte Zehenkappe 2 wird
mittels eines Auswerfers 15 aus dem Formwerkzeug genommen, wie
aus 5 hervorgeht. Da die Beaufschlagung mit einem
Druck von ungefähr
300 bis 800 kg/cm2 in diesem Schritt ausreicht, ermöglicht die
vorliegende Erfindung eine beachtliche Verringerung des Drucks im
Vergleich zum herkömmlichen
Formgebungsdruck von 1200 kg/cm2. Die geeignete Temperatur des Formwerkzeugs liegt
in einem Bereich von 70 bis 160°C.
Danach erfolgt, je nach Bedarf, ein Fertigungsschritt wie z.B. das
Entgraten, um die Zehenkappe zu erhalten. Im Übrigen ist es vorzuziehen,
dass das Formwerkzeug über wenigstens
eine schräge
Hohlraumseitenfläche
verfügt,
da eine solches Formwerkzeug tendenziell das Auftreten von Graten
verringert.
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6 und 7 stellen
ein Beispiel der Zehenkappe für
einen Sicherheitsschuh dar, die mithilfe des faserigen Pelletmaterials
aus dem langfaserverstärkten
Thermoplastharz der vorliegenden Erfindung geformt ist. Die Zehenkappe 2 ist
kuppelförmig
in Entsprechung zu dem Zehenteil eines Sicherheitsschuhs, das dazu gedacht
ist, die Fußzehen
des Trägers
abzudecken. Die Zehenkappe 2 besitzt ein nach innen gebogenes Randteil 4,
das integral entlang der Unterkante eines kuppelförmigen Teils 3 derselben
geformt ist. Ein nach oben stehender Abschnitt „X" und ein gekrümmter Abschnitt „Y" der Zehenkappe besitzen
im Wesentlichen die gleiche, im Bereich von 2 bis 6 mm liegende
Wanddicke, die aber ausgehend vom nach oben stehenden Abschnitt „X" in Richtung eines
vorderen Endes allmählich
geringfügig
abnimmt. Es ist wünschenswert,
dass sich die Wanddicke des vorderen Endes der Zehenkappe im Bereich
von 3,5 bis 6 mm befindet. Eine Wanddicke des vorderen Endes unter
3,5 mm resultiert in unzureichender Stärke. Dagegen ist eine Dicke,
die 6 mm übertrifft,
nicht erwünscht,
da die entstandene Zehenkappe schwer wird. Indem der nach oben stehende
Abschnitt „X" und der gekrümmte Abschnitt „Y" der Zehenkappe 2 so
geformt werden, dass sie im Wesentlichen die gleiche Wanddicke aufweisen,
werden die gekrümmten
Abschnitte des konvexen Teils und des konkaven Teils zueinander
analog, was ein müheloses
Modellieren, Zeichnen und Entwerfen möglich macht.
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Das
faserige Pellet aus langfaserverstärktem Thermoplastharz, das
in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, wird dadurch erhalten,
dass ein Bündel
kontinuierlicher Verstärkungsfasern
mit einem Thermoplastharz imprägniert
und auf eine zuvor bestimmte Länge
zugeschnitten wird. Vorzugsweise enthält das faserige Pellet als
die oben erwähnten
kontinuierlichen Verstärkungsfasern
eine Mehrzahl von Verstärkungsfasersträngen, die
jeweils nicht mehr als 1200 kontinuierliche, gebündelte Fasern enthalten, wobei
jede kontinuierliche Faser über
einen Durchmesser im Bereich von 6 bis 25 μm verfügt.
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Zwar
muss es sich bei dem Thermoplastharz, das im faserigen Pellet aus
langfaserverstärktem
Thermoplastharz verwendet wird, nicht um ein bestimmtes handeln,
aber es lassen sich z.B. folgende Harze vorteilhaft einsetzen: Polyethylen,
Polypropylen, Nylon, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat,
Polystyrol, Acrylnitril-Styrol (AS)-Harz, Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Harz,
Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyetherketon (PEEK).
Je nach Bedarf kann das Thermoplastharz, von Glasfasern abgesehen, in
demselben auch jedwedes bekannte Additiv, etwa Farbmittel, Modifizierungsmittel
und Füllstoffe,
enthalten. Nach dem Verkneten mit einem solchen Additiv wird das
Thermoplastharz entsprechend der herkömmlichen Methode verwendet.
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Als
kontinuierliche Verstärkungsfasern
wird eine Mehrzahl von Verstärkungsfasersträngen, insbesondere
Glasfasersträngen,
benutzt. Jeder Strang umfasst nicht mehr als 1200 kontinuierliche,
gebündelte
Fasern, und jede kontinuierliche Faser besitzt einen Durchmesser
im Bereich von 6 bis 25 μm.
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Ein
Faserdurchmesser unter 6 μm
ist unpraktisch, weil dadurch die Produktivität der Verstärkungsfasern ein niedriges
Niveau annimmt, woraus hohe Produktionskosten resultieren. Falls
hingegen der Durchmesser der Faser 25 μm übertrifft, verleiht dies der
Verstärkungsfaser
eine erhöhte
Starrheit und macht sie brüchig.
Als Ergebnis davon zeigen die Fasern eine Tendenz zum Zerbrechen
infolge der Reibung zwischen der Form und der Verstärkungsfaser
oder zwischen den Verstärkungsfasern
selbst, während
sie eine Form zur Imprägnierung
mit Harz in einer Vorrichtung zur Herstellung der faserigen Pellets
aus langfaserverstärktem
Thermoplastharz passieren; so treten in der Produktionsvorrichtung
Fusseln auf, die sich nachteilig auf die Produktivität auswirken.
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Falls
die Anzahl gebündelter
Glasfasern pro Verstärkungsfaserstrang
1200 übertrifft,
dauert es lange, bis das Harz den Verstärkungsfaserstrang durchdrungen
hat und die Imprägnierung
mit Harz gelingt nur schlecht. Wenn hingegen der Versuch unternommen
wird, eine ausreichende Harzimprägnierung
zu erzielen, ist es notwendig, die Zeit des Kontakts mit dem Harz
in der Form zur Imprägnierung
zu verlängern,
was wiederum die Produktivität
erheblich senkt. Überdies
sind die Anwendung einer langen Form für die Imprägnierung und einer langen Erhitzungszeit
erforderlich, was unvermeidlich die Tendenz hervorruft, den Wärmerückgang des
Harzes zu induzieren, und eine nachteilige Wirkung auf das Aussehen,
insbesondere auf den Farbton, des endgültigen geformten Artikels auszuüben. Wünschenswert
ist es, dass die Anzahl an Fasern, die pro Verstärkungsfaserstrang gebündelt werden,
zwischen 100 und 1000, besonders bevorzugt zwischen 200 bis 800
liegt.
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Die
Anzahl an Verstärkungsfasersträngen, die
in einem faserigen Pellet enthalten sein sollen, kann in Abhängigkeit
von der Größe des Formwerkzeugs
zur Imprägnierung,
spezifischer ausgedrückt,
vom Durchmesser des Pellets passend gewählt werden. Gewöhnlich wird
bevorzugt, dass die Anzahl im Bereich von 2 bis 40, stärker bevorzugt
im Bereich von 7 bis 35 liegt. Sind weniger als zwei Verstärkungsfaserstränge vorhanden,
wird unvermeidbar der Pelletdurchmesser gegenüber dem Verbindungsverhältnis des
Harzes klein, was die Herstellungseffizienz senkt. Falls hingegen
die Anzahl 40 überschreitet,
erweist sich die Haftung der Stränge
aneinander als unzureichend, so dass Spalte zwischen Strängen entstehen,
die dafür
verantwortlich sind, dass Mängel
wie Leerräume
im endgültigen
geformten Artikel vermehrt auftreten.
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Der
Gehalt an kontinuierlichen Verstärkungsfasern
im faserigen Pellet aus langfaserverstärktem Thermoplastharz liegt
vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%. Im Fall einer Zehenkappe,
welche der in JIS T8101 spezifizierten Druckbelastung für Sicherheitsschuhe
aus Leder, Klasse S, standhält,
ist ein Gehalt im Bereich von 40 bis 60 Vol.-% besonders vorzuziehen.
Ein Gehalt an kontinuierlichen Verstärkungsfasern unter 30 Vol.-%
ist als Verstärkungsfasergehalt
in einem zur Formung eingesetzten Master-Pellet unzureichend. Falls
hingegen der Gehalt 60 Vol.-% überschreitet,
ist die Harzmenge in Bezug auf die Menge der Verstärkungsfasern über die
Maßen
gering, und das Verstärkungsfaserbündel wird
nicht in zufriedenstellender Weise mit Harz imprägniert.
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Die
faserigen Pellets aus langfaserverstärktem Thermoplastharz werden
beispielsweise dadurch erhalten, dass die aus einer Mehrzahl von
Rovings gezogenen Verstärkungsfaserstränge, zunächst in
einen Vorheizofen gegeben und dann in eine Form zur Imprägnierung
mit Harz gebracht werden, wobei dieser Form zur Imprägnierung
mit Harz geschmolzenes Harz, erhitzt und geknetet in einem Extruder,
zugeführt
wird; daraufhin werden die Verstärkungsfaserstränge in der
Form mit einem Thermoplastharz imprägniert, dann abgekühlt und schließlich mithilfe
eines Pelletierers auf eine vorgeschriebene Länge zugeschnitten. Obwohl weder
der Durchmesser noch die Länge
der Pellets auf eine bestimmte Größe begrenzt ist, erweist es
sich in Bezug auf das automatische Wiegen und die Plastifizierung
derselben als zweckgemäß, wenn
der Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 5 mm liegt und die Länge im Bereich
von 7 bis 55 mm. Ein Durchmesser unter 0,2 mm ist nicht zu bevorzugen,
weil dann das Pellet selbst zu leicht ist, als dass sich das automatische
Wiegen ohne Schwierigkeiten durchführen ließe. Falls dagegen der Durchmesser
5 mm überschreitet,
nimmt die Plastifizierung viel Zeit in Anspruch.
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Das
faserige Pellet aus langfaserverstärktem Thermoplastharz, das
mittels des oben erläuterten
Verfahrens gewonnen wird, enthält
eine Mehrzahl von Verstärkungsfasersträngen, die
in Längsrichtung
parallel zueinander angeordnet und vollständig mit dem Thermoplastharz überzogen
sind. Dieses Thermoplastharz dringt gleichmäßig in einzelne Spalte zwischen
den Fasern des Verstärkungsfaserstrangs,
und die Oberfläche der
einzelnen Verstärkungsfasern
wird sehr einheitlich mit Thermoplastharz benetzt. Infolgedessen
werden sowohl die gute Grenzflächenadhäsion zwischen
dem Harz und den Verstärkungsfasern
als auch die einheitliche Verteilung der Verstärkungsfasern in dem geformten
Artikel erzielt, der durch das anschließende Pressformen gewonnen
wird. Als Ergebnis davon ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Herstellung einer Zehenkappe für einen
Sicherheitsschuh, die eine einheitliche Verteilung von Verstärkungsfasern
im vorderen Ende des Randteils besitzt und zudem ausreichende Stärke und
gutes Aussehen vorweist.
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Nachstehend
werden nun einige Veranschaulichungsbeispiele angeführt, in
welchen Zehenkappen für Sicherheitsschuhe
unter Verwendung der faserigen Pellets aus dem langfaserverstärktem Thermoplastharz der
vorliegenden Erfindung hergestellt wurden und welche die physischen
Eigenschaften einschließlich
Stärke und
weiterer Attribute bestätigt
haben, die durch die entstandenen Zehenkappen manifestiert werden.
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Beispiel
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Faserige
Pellets aus langfaserverstärktem
Thermoplastharz (enthaltend 50 Vol.-% Glasfasern in Polypropylen),
mit einem Durchmesser von ungefähr
0,5 mm und zugeschnitten auf eine Länge von 20 mm, wurden gewogen
und durch Plastifizieren der Pellets in einer pseudoformgebenden
Form durch Erhitzen primär geformt
(0,5 Minuten lang unter einem Druck von 0,5 kg/cm2 und einer Temperatur
von 210°C),
um eine Pseudozehenkappe mit einem gekrümmten Abschnitt anzufertigen.
Daraufhin wurde die entstandene Pseudozehenkappe in einem Formwerkzeug
zur Formung einer Zehenkappe (Hauptform) platziert und bei 135°C unter einem
Druck von 400 kg/cm2 mittels Kompression geformt, um die Zehenkappe
herzustellen.
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Vergleichsbeispiel
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Durch
Verwendung eines trapezförmigen
Plattenmaterials mit einer Dicke von 3,3 mm, das aus einem glasfaserverstärkten Thermoplastharz
besteht, welches 46 Vol.-% Glasfasern mit einer Länge von
20 mm in Polypropylen enthält,
wurde eine Zehenkappe mittels des herkömmlichen Plattenformungsverfahrens
gefertigt (Schmelzerweichung: drei Minuten lang bei ungefähr 350°C, Pressformung:
1200 kg/cm2, 120°C).
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Im
oben erwähnten
Beispiel nahm das Füllen
der Hauptform ungefähr
1 bis 2 Sekunden in Anspruch, und der Fehlanteil betrug nicht mehr
als 2%. Demgegenüber
dauerte im Fall des Plattenformungsverfahrens aus dem Vergleichsbeispiel
das Einfüllen
in die Hauptform etwa 4 bis 6 Sekunden, und der Fehlanteil belief sich
auf 4 bis 8%.
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Daraufhin
wurden die obiger Beschreibung entsprechend geformten Zehenkappen
in Bezug auf Druckbelastung geprüft,
und zwar bei Zusammendrücken
der Spalthöhe
an der Zehenspitze auf 22 mm in Übereinstimmung
mit dem in JIS T8101 spezifizierten Verfahren für Sicherheitsschuhe aus Leder,
Klasse S (das in JIS spezifizierte Kriterium beläuft sich auf 1020 kg). Die
Ergebnisse aus diesem Test sind in Tabelle 1 und in
8 aufgeführt. Tabelle 1
| Probennummer | Beispiel | Vergleichsbeispiel |
| 1 | 1700 | 1460 |
| 2 | 1800 | 1500 |
| 3 | 1650 | 1140 |
| 4 | 1850 | 1530 |
| 5 | 1750 | 1620 |
| Maximum | 1850 | 1620 |
| Minimum | 1650 | 1140 |
| Durchschnitt | 1750 | 1450 |
-
Wie
aus den in Tabelle 1 und in 8 aufgeführten Ergebnissen
klar hervorgeht, wiesen die im Vergleichsbeispiel erhaltenen Zehenkappen
eine geringere und offensichtlich gestreute Stärke auf. Demgegenüber erwiesen
sich die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gewonnenen
Zehenkappen als stabil gegenüber
hoher Druckbelastung und zeigten keine Streuung.
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Dann
wurden einige Proben aus den geformten Zehenkappen an in 9 dargestellten
Testpositionen entnommen und die Verteilung der Verstärkungsfasern
untersucht.
-
Als
Ergebnis betrug in den durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung
gewonnenen Zehenkappen der Glasfasergehalt 50 Vol.-% an
jeder der Stellen A, B und C und wies keine erkennbare Veränderung auf.
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Demgegenüber zeigte
die im Vergleichsbeispiel erhaltene Zehenkappe an jeder der Stellen
an A, B und C Veränderungen
des Glasfaser (GF)-Gehalts. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Im Übrigen stellt
die Streuung der Verteilung der Verstärkungsfasern im geformten Artikel
einen erheblichen Faktor bezüglich
der Streuung oder der Abnahme der Druckbelastung dar. Tabelle 2
| Stelle
der Probenentnahme | Probengröße (mm) | GF-Gehalt
vor der Formung | Stelle
der Probenentnahme | GF-Gehalt
nach der Formung |
| A | 12 × 5 × 1,8–2,3t | 46
Vol.-% | Mittlerer
Abschnitt in einem Randteil | 28
Vol.-% |
| B | 12 × 5 × 3,1t | 46
Vol.-% | Ursprüngliches Materialteil
beim | 41
Vol.-% |
| | | | Formen | |
| C | 12 × 5 × 4,5t | 46
Vol.-% | Überlappendes Teil
von Plattenstück
und ursprünglichem
Material | 50
Vol.-% |