DE60305920T2

DE60305920T2 - Verbundschaumstruktur mit isotropen und anisotropen bereichen

Info

Publication number: DE60305920T2
Application number: DE2003605920
Authority: DE
Inventors: J. Peter Blockley CATE; J. Myron Lake Orion MAURER; P. Chung Waltham PARK; H. Martin Midland TUSIM; A. M. Dominicus L BINDELS
Original assignee: Dow Global Technologies LLC
Current assignee: Dow Global Technologies LLC
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2023-06-24
Also published as: AU2003247619A8; BR0305629A; AU2003247619A1; EP1519985A2; EP1519985B1; DE60305920D1; US20040001945A1; US20060103044A1; WO2004003064A3; EP1690746A3; WO2004003064A2; EP1690746A2; ATE328944T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundschaumstruktur mit einem Bereich anisotroper Festigkeit und einem Bereich isotroper Festigkeit, Verfahren zur Herstellung solcher Verbundschaumstrukturen und Einsatzmöglichkeiten solcher Verbundschaumstrukturen, zum Beispiel bei Energieabsorptionsanwendungen im Automobilbereich, wie zum Beispiel bei Fahrzeugstoßfängern.
In vielen Ländern rund um die Welt wurden Vorschriften erlassen, die Energie absorbierende Gegenstände oder Teile in Kraftfahrzeugen betreffen. Es gibt Vorschriften, die den Aufprall des Körpers auf das Innere eines Fahrzeugs betreffen. Außerdem betreffen einige Vorschriften Fahrzeugstoßfänger, die das Fahrzeugchassis vor einer signifikanten Beschädigung bei niedriger Geschwindigkeit (d.h. 4–8 km/h) schützen müssen. Ferner gibt es in Europa erlassene Vorschriften, mit denen die Zahl der Verletzungen reduziert werden soll, die darauf zurückzuführen sind, dass es zu einem Zusammenstoß zwischen einem Fußgänger und einem Kraftfahrzeug kommt. Es gibt Vorschriften, mit denen die Menge der Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen eingeschränkt oder reduziert werden soll. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Schadstoffemissionen ist die Senkung des Kraftstoffverbrauchs durch Herabsetzung des Gewichts der Fahrzeuge, so dass der Trend dahin geht, schwerere Metallteile durch Kunststoff- und Schaumstoffteile zu ersetzen. Infolge dieser verschiedenen Vorschriften haben Schaumstoffmaterialien bei verschiedenen Energie absorbierenden Strukturen oder Teilen in Kraftfahrzeugen, zum Beispiel bei Dachauskleidungen, Säulen, Türen und Stoßfängern, Verwendung gefunden. Die US-Patentveröffentlichung US 2002/0121787 offenbart ein Stoßfängersystem mit einem Schaumstoffabschnitt, der sich durch eine vorbestimmte Dicke des Schaumstoffs erstreckende Ausnehmungen enthält. In den Ausnehmungen sind zylindrische Zellmatrizes angeordnet, die so ausgestaltet sind, dass sie die von einem Aufprall auf den Stoßfänger stammende Energie von einer äußeren Kraft absorbieren. Die US-Patentveröffentlichung 2001/0035,658 A1 (hierin mit einbezogen) zeigt eine Stoßfängerverkleidung, bei der ein Teil der Verkleidung mit einem Schaumstoff aus expandierten Kügelchen gefüllt ist. Das US-Patent Nr. 6,213,540 (hierin mit einbezogen) offenbart die Verwendung von Planken aus anisotropem Schaumstoff bei Bug- und Hecksystemen. Ein anisotroper Schaumstoff zeigt außergewöhnliche Energiemanagementeigenschaften, wie zum Beispiel ein Schaumstoff, der aus einer Reihe miteinander verschmolzener Stränge besteht, wobei die Stränge in dieselbe Richtung ausgerichtet sind. Bei einem Aufprall absorbiert dieser Schaumstoff Energie, indem er zusammengedrückt wird und Energie aufwendet, um die Schaumstoffstränge voneinander zu lösen. Das Problem bei der Verwendung eines anisotropen Schaumstoffs besteht darin, dass sich der Schaumstoff nach einem signifikanten Aufprall durch diesen Aufprall verformt und seine Fähigkeit, bei einem anschließenden Aufprall größere Mengen an Energie zu absorbieren, verliert. Ferner könnten anisotrope Schaumstoffe, die aus orientierten Schaumstoffsträngen bestehen, wie sie in dem US-Patent Nr. 6,213,540 offenbart sind, nur in einfachen Formen kostengünstig gefertigt werden. Um komplexe Formen aus solchen Schaumstoffen herzustellen, ist eine beachtliche Menge an teurem Werkzeug erforderlich, und es entsteht eine größere Menge an Abfall. Ein signifikantes Problem bei anisotropen Schaumstoffen besteht darin, dass der anisotrope Schaumstoff bei einem Zusammenstoß bei niedriger Geschwindigkeit, zum Beispiel bei 5 mph, Energie absorbieren wird, das Schaumstoffteil aber nicht elastisch oder rückverformbar ist und damit seine Fähigkeit verliert, ähnliche Mengen an Energie zu absorbieren, wenn das Schaumstoffteil einem zweiten Aufprall unterliegt. In vielen solchen Situationen wird es somit notwendig, die Schaumstoffstruktur nach dem ersten Aufprall auszuwechseln. Es wird daher ein leichtes, problemlos zu formendes Schaumstoffteil benötigt, das Energie bei niedrigen Geschwindigkeiten auch nach einer Vielzahl von Zusammenstößen absorbieren kann. Ferner wird ein Energie absorbierendes System benötigt, das Energie auch bei höheren Geschwindigkeiten, wie zum Beispiel bei einem Zusammenstoß mit einem Fußgänger, wirksam absorbieren kann.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Verbundschaumstruktur mit einem ersten Segment aus einem anisotropen thermoplastischen Schaumstoff und einem zweiten Segment aus einem geformten Schaumstoffteil, das einen isotropen Schaumstoff umfasst, wobei sich das anisotrope Schaumstoffteil und das isotrope Schaumstoffteil entlang mindestens einer gemeinsamen Fläche schneiden. Vorzugsweise umfasst der anisotrope Schaumstoff eine Vielzahl von extrudierten Schaumstoffsträngen, die miteinander verschmolzen sind, wobei alle Stränge des Schaumstoffs in dieselbe Richtung ausgerichtet sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein Fahrzeugstoßfängersystem, das Folgendes umfasst: einen Stoßfängerträger, der am Chassis eines Fahr zeugs befestigt werden kann; ein oder mehr Verbundstrukturen gemäß der Erfindung und eine Stoßfängerverkleidung, die den Stoßfängerträger und die Verbundschaumstrukturen bedeckt, so dass sie nicht sichtbar sind; wobei das isotrope Schaumstoffteil zwischen der Verkleidung und dem anisotropen Schaumstoffteil der Verbundstruktur angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst das anisotrope Schaumstoffsegment eine Vielzahl von orientierten Schaumstoffsträngen, die miteinander verschmolzen sind und die an dem Stoßfängerträger befestigt sind. Mehr bevorzugt verläuft die Richtung der orientierten Stränge der anisotropen Schaumstoffblöcke quer zur Längsrichtung des Stoßfängerträgers. Die Richtung der Orientierung der Schaumstoffstränge ist vorzugsweise senkrecht zu der vertikalen Fläche des Stoßfängers.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur gemäß der Erfindung mit den folgenden Schritten: Einlegen eines Teils aus anisotropem Schaumstoff in eine Form; Einlegen von thermoplastischen, mit einem Treibmittel imprägnierten Kügelchen in den Rest der Form; Einspritzen von Dampf in die Form unter solchen Bedingungen, dass sich die thermoplastischen Kügelchen ausdehnen, an der Oberfläche schmelzen, eine koaleszierte isotrope geschäumte Struktur bilden, die sich mit ein oder mehr Flächen des anisotropen Schaumstoffs verbindet.
Die erfindungsgemäßen Verbundschaumstrukturen haben mehrere Vorteile. Erstens können die Verbundstrukturen auf kostengünstige Weise geformt werden, ohne dass dazu kostspielige und zeitraubende Bearbeitungsverfahren notwendig sind. Des weiteren sind die erfindungsgemäßen Verbundschaumstrukturen bei einem Aufprall bei niedriger Geschwindigkeit elastisch, so dass ein Teil, bei dem die erfindungsgemäßen Strukturen verwendet werden, einen bei relativ niedriger Geschwindigkeit erfolgenden Aufprall erfahren kann, ohne dass die darunter liegende Struktur beschädigt wird. Ferner zeigen solche Verbundschaumstrukturen die Fähigkeit, signifikante Mengen an Energie zu absorbieren, wenn sie einem bei hoher Geschwindigkeit erfolgenden Zusammenstoß mit einem Fußgänger unterliegen.
1 veranschaulicht ein Stoßfängersystem, bei dem die erfindungsgemäßen Verbundstrukturen verwendet werden.
2 ist eine graphische Darstellung der Rückverformbarkeit in Abhängigkeit von der Dicke des anisotropen Schaumstoffs.
3 bis 5 sind repräsentative graphische Darstellungen des Einflusses der Dicke des anisotropen Schaumstoffs auf das quasistatische Verhalten der Druckspannung im Vergleich zur Dehnung bei Probestücken aus Verbundschaumstoff, die thermisch verschweißt, durch Klebstoff verbunden oder mit Klebeband zusammengeklebt sind.
6 bis 8 sind repräsentative graphische Darstellungen des Einflusses der Dicke des anisotropen Schaumstoffs auf das dynamische Verhalten der Druckspannung im Vergleich zur Dehnung bei Probestücken aus Verbundschaumstoff, die thermisch verschweißt, durch Klebstoff verbunden oder mit Klebeband zusammengeklebt sind.
Im vorliegenden Zusammenhang ist unter einem anisotropen Schaumstoff ein Schaumstoff zu verstehen, der anisotrope Festigkeitseigenschaften hat. Unter anisotropen Festigkeitseigenschaften ist zu verstehen, dass die Schaumstoffstruktur unterschiedliche Schlagfestigkeiten in unterschiedlichen Richtungen oder längs unterschiedlicher Ebenen hat. Im vorliegenden Zusammenhang ist unter einem isotropen Schaumstoff ein Schaumstoff zu verstehen, der im Wesentlichen dieselben Festigkeitseigenschaften in alle Richtungen hat. Unter im Wesentlichen dieselben ist hierin zu verstehen, dass der Unterschied in den Festigkeitseigenschaften in unterschiedlichen Richtungen 10 Prozent oder weniger beträgt, vorzugsweise 5 Prozent oder weniger und am meisten bevorzugt 1 Prozent oder weniger.
Der anisotrope Schaumstoffblock kann aus jedem Schaumstoff hergestellt werden, der anisotrope Festigkeitseigenschaften zeigt. Ferner kann er nach jedem bekannten Verfahren hergestellt werden, das einen anisotropen Schaumstoff bzw. einen Schaumstoff mit anisotropen Eigenschaften bereitstellt. Vorzugsweise besteht der Schaumstoff aus einer thermoplastischen Polymermatrix.
Bevorzugte schäumbare thermoplastische Zusammensetzungen, die zur Herstellung von anisotropen Schaumstoffen verwendet werden können, umfassen Polyester, Polyamide, Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polycarbonate, Polystyrolharze, Polyethylen, einschließlich Polyethylen niedriger Dichte, lineares Poly ethylen niedriger Dichte und Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polypropylen und Copolymere von Ethylen oder Propylen und ein damit copolymerisierbares monoethylenisch ungesättigtes Monomer. Beispiele hierfür sind Copolymere von Ethylen und Acrylsäure oder Methacrylsäure und C_1-4-Alkylester oder ionomere Derivate davon; Ethylen-Vinylacetat-Copolymere; Ethylen-Kohlenmonoxid-Copolymere; Anhydrid enthaltende Olefincopolymere eines Diens; Copolymere von Ethylen und einem α-Olefin mit ultraniedrigem Molekulargewicht (d.h. Dichten von weniger als 0,92 g/cm³); Mischungen aller oben genannten Harze; Mischungen derselben mit Polyethylen (hoher, mittlerer oder niedriger Dichte); etc.. Bevorzugte Polyolefine sind Polypropylenhomopolymere, schlagfestes Polypropylen und Copolymere von Polypropylen, die aus mindestens 50 Gew.-% Propylen bestehen. Weitere bevorzugte Polyolefine sind verzweigtes Polypropylenhomopolymer und verzweigte Copolymere von Polypropylen.
Das schäumbare thermoplastische Polymermaterial bzw. die daraus bestehende Mischung wird auf herkömmliche Weise in der Schmelze verarbeitet, indem es einer herkömmlichen Schmelzverarbeitungsvorrichtung wie zum Beispiel einem Extruder zugeführt, diesem zudosiert und darin geschmolzen wird. Ein flüchtiges Treibmittel und ein optionales Vernetzungsmittel werden mit dem thermoplastischen Polymer bzw. der daraus bestehenden Mischung unter einem zur Bildung eines fließfähigen Gels oder eines fließfähigen Begleitstoffs geeigneten Druck mit dem thermoplastischen Polymer bzw. der daraus bestehenden Mischung gemischt. Ein Vernetzungsmittel kann in einer Menge zugesetzt werden, die ausreicht, um die Vernetzung in Gang zu setzen und den Druck des Gels oder des Begleitstoffs auf weniger als den Druck zu erhöhen, bei dem es zum Schmelzbruch des Polymers kommt. Der Begriff "Schmelzbruch" wird in der Technik verwendet, um eine Instabilität im Schmelzfluss eines Polymers zu beschreiben, wenn dieses durch eine Düse extrudiert wird, wobei diese instabile Strömung zu Hohlräumen und/oder sonstigen Unregelmäßigkeiten im Endprodukt führt. Außerdem können verschiedene Zusatzstoffe zugesetzt werden, wie zum Beispiel anorganische Füllstoffe, Pigmente, Antioxidantien, Säurefänger, UV-Absorber, Flammschutzmittel, Tenside, Verarbeitungshilfen, Extrusionshilfen, Keimbildner und Treibmittel und dergleichen, wie dies in dem US-Patent Nr. 6,213,540 offenbart ist.
Die dem Polymer beigemischte Menge an Treibmittel richtet sich hauptsächlich nach der gewünschten Dichte des Schaumstoffs. Die Dichte eines erfindungsge mäßen Schaumstoffs liegt vorzugsweise im Bereich von 270 kg/m³ bis 20 kg/m³, mehr bevorzugt 200 kg/m³ bis 30 kg/m³ und am meisten bevorzugt 32 kg/m³ bis 80 kg/m³. Die zum Erreichen der im weitesten Bereich liegenden Dichten des Schaumstoffs notwendige Menge an Schaumbildner liegt im Bereich von 0,011 bis 0,23 Mol pro 100 Mol des thermoplastischen Harzes bzw. der Mischung. Im Allgemeinen führt die Beimengung einer größeren Menge an Schaumbildner zu einem höheren Expansionsverhältnis (der hierin genannte Begriff "Expansionsverhältnis" bezeichnet das Verhältnis der Dichte des Harzes bzw. der Mischung zur Dichte des aufgeschäumten Produkts) und somit zu einer niedrigeren Dichte des Schaumstoffs. Es ist jedoch darauf zu achten, dass nicht so viel Schaumbildner beigemengt wird, dass es in dem Extruder und der Düse zu einer Trennung zwischen dem Harz und dem Schaumbildner kommt. Wenn dies geschieht, kommt es zum "Schäumen in der Düse", und die Oberfläche des aufgeschäumten Produktes wird rau, so dass man im Allgemeinen ein unbefriedigendes Produkt erhält.
Weitere geeignete Verfahren zur Herstellung und zum Extrudieren schäumbarer thermoplastischer Mischungen zur Herstellung extrudierter Profile, die bei der Herstellung Energie absorbierender Gegenstände gemäß den Prinzipien dieser Erfindung von Nutzen sein können, werden in den US-Patenten Nr. 5,348,795; 5,527,573 und 5,567,742 offenbart, die alle durch Verweis darauf hierin mit einbezogen sind.
Gemäß einer speziellen Ausgestaltung dieser Erfindung werden Energie absorbierende Gegenstände mit anisotropen Festigkeitseigenschaften hergestellt, indem ein schäumbares thermoplastisches Gel durch eine Düse mit einer Vielzahl von Öffnungen extrudiert wird, die so angeordnet sind, dass ein Kontakt zwischen benachbarten Strömen von geschmolzenem Extrudat dazu führt, dass ihre Oberflächen aneinander haften, um einen einstückigen koaleszierten Gegenstand aus Schaumstoff zu bilden, wobei der polymere Bestandteil des schäumbaren Gels eine Polymermischung umfasst, die eine größere Menge (größer als 50 Gew.-%) eines Homopolymers oder Copolymers enthält, bei dem die Mehrzahl der monomeren Einheiten monomere Propyleneinheiten sind, und eine kleinere Menge (weniger als 50 Gew.-%) eines Harzmodifikators vom Polyethylentyp, bei dem die Mehrzahl der monomeren Einheiten monomere Ethyleneinheiten sind. Es wurde entdeckt, dass die resultierenden Schaumstoffe mit koaleszierten Strängen, die aus diesen Polymermischungen hergestellt wurden, ganz unerwartet eine erhöhte Druckfestigkeit zeigen, vor allem in Richtungen senkrecht zur Längsrichtung der koaleszierten Stränge (d.h. senkrecht zur Extrusionsrichtung), verglichen mit Schaumstoffen mit koaleszierten Strängen aus einem Polypropylenhomopolymer oder aus einer Mischung eines Polypropylenhomopolymers und eines Ethylen-Propylen-Copolymers als Harzmodifikator. Die erhöhte Druckfestigkeit, vor allem in Richtungen senkrecht zur Längsrichtung der koaleszierten Stränge, ist einer verbesserten Haftung zwischen den Strängen zuzuschreiben, die auf die Zugabe einer kleineren Menge eines Harzmodifikators vom Polyethylentyp zurückzuführen ist, bei dem es sich um ein Homopolymer oder Copolymer handelt, das ganz oder zum großen Teil aus monomeren Ethyleneinheiten besteht. Die Harzmodifikatoren vom Polyethylentyp werden typischerweise einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als das Polypropylenhomopolymer oder -copolymer und haben vorzugsweise einen Schmelzpunkt unter 125°C. Die Harzmodifikatoren vom Polyethylentyp bestehen hauptsächlich aus monomeren Ethyleneinheiten und bestehen mehr bevorzugt aus mindestens 80 Gew.-% monomeren Ethyleneinheiten.
Beispiele für bevorzugte Harzmodifikatoren vom Polyethylentyp sind Polyethylen-Homopolymere niedriger Dichte und im Wesentlichen lineare Ethylenpolymere, die unter Verwendung eines Metallocenkatalysators hergestellt wurden, wie dies in U.S. 6,213,540 B1 sowie den US-Patenten Nr. 5,340,840; 5,272,236; 5,677,383 und 4,076,698 offenbart wird.
Die bei dieser Erfindung nützlichen Schaumstoffgegenstände mit koaleszierten Strängen können fehlende Stränge oder konstruierte Hohlräume aufweisen, d.h. ein Profil oder einen Querschnitt quer zur Extrusionsrichtung, die diskontinuierlich ist. Schaumstoffgegenstände mit koaleszierten Strängen, die fehlende Stränge oder konstruierte Hohlräume aufweisen, können hergestellt werden, indem ein thermoplastisches schäumbares Gel durch eine Düse mit einer Vielzahl von Öffnungen extrudiert wird, die in einer Anordnung angeordnet sind, die Hohlräume definiert, so dass die extrudierten Stränge an ihren äußersten Enden zu einem Hohlräume definierenden Netz verbunden sind. Eine Düse mit einer Vielzahl von Öffnungen, die dazu ausgelegt ist, Schaumstoffe mit koaleszierten Strängen zu produzieren, die keine fehlenden Stränge oder konstruierten Hohlräume aufweisen, kann dahingehend modifiziert werden, dass sie Schaumstoffe mit koaleszierten Strängen produziert, die fehlende Stränge oder konstruierte Hohlräume aufweisen, indem einige der Öffnungen versperrt werden. Energie absorbierende Gegenstände mit konstruierten Hohlräumen können vorteilhafterweise bei bestimmten Anwendungen verwendet werden, die eine Manipulation der Schüttdichte und der Weichheit (Steuerung des Moduls) erlauben und den Luftdurchsatz erhöhen. Außerdem können die konstruierten Hohlräume zur Schaffung von Kanälen für Drähte, optische Fasern und dergleichen verwendet werden. Verfahren zur Bildung von Schaumstoffgegenständen mit Strängen, die konstruierte Hohlräume aufweisen, werden in dem US-Patent Nr. 4,801,484 beschrieben, das hierin mit einbezogen wird.
Alternativ können die bei dieser Erfindung verwendeten Schaumstoffgegenstände mit koaleszierten Strängen mit hohlen aufgeschäumten Strängen hergestellt werden, wie in dem US-Patent Nr. 4,755,408 und dem US-Patent Nr. 4,952,450 beschrieben.
Indem die extrudierbare Mischung durch die erfindungsgemäße Extrusionsdüse gedrückt wird, erhält man (a) eine Vielzahl von getrennt extrudierten und danach koaleszierten hohlen Schaumstoffsträngen oder (b) eine Kombination einer Vielzahl von getrennt extrudierten und danach koaleszierten festen Schaumstoffsträngen und einer Vielzahl von getrennt extrudierten und danach koaleszierten hohlen Schaumstoffsträngen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet eine Gruppe von festen, koaleszierten Schaumstoffsträngen einen Teil einer zellulären Verbundschaumstruktur, und eine Gruppe hohler, koaleszierter Schaumstoffstränge bildet einen zweiten Teil einer zellulären Verbundschaumstruktur. Die Treibmittelzusammensetzung bestimmt zumindest teilweise die Temperaturen für jeden der Verfahrensschritte. Bei der Herstellung einer solchen Verbundschaumstruktur wird vorzugsweise eine Düse verwendet, die eine Vielzahl von ersten Öffnungen oder Sätzen von Öffnungen aufweist, die hohle Schaumstoffstränge liefern, und eine Vielzahl von zweiten bzw. einzelnen Öffnungen, die feste Schaumstoffstränge liefern.
Wenn die Extrusionsdüse sowohl feste als auch hohle Schaumstoffstränge ermöglicht, können die Düsenöffnungen oder -mündungen für die festen und die hohlen Schaumstoffstränge fast jede geometrische Form annehmen, solange die Formen nach Bedarf die jeweiligen festen und hohlen Schaumstoffstränge liefern. Geeignete geometrische Formen sind runde, quadratische, polygonale Formen, X-Formen, Kreuzformen und Sternformen. Die Auswahl einer bestimmten Form oder Kombination von Formen erlaubt die Herstellung einer zellulären Schaumstruktur mit einem speziellen Profil oder einer speziellen Form. Die Form ist vorzugsweise rund oder kreisförmig, insbesondere für die hohlen Schaumstoffstränge. Wenn die zellulären Schaumstrukturen gemäß der Erfindung sowohl hohle als auch feste Schaumstoffstränge umfassen, können die geometrischen Formen vorzugsweise zwar identisch, aber auch unterschiedlich sein, ohne vom Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Die extrudierten thermoplastischen Schaumstoffe mit anisotropen Festigkeitseigenschaften können auch als extrudierte Planken hergestellt werden. Extrudierte Planken aus thermoplastischem Schaumstoff können im Allgemeinen mit jeder normalerweise verwendeten Geschwindigkeit durch eine Breitschlitzdüse gezogen werden und können auf jede in der Technik bekannte Weise aus der Düse gestreckt oder gezogen werden, zum Beispiel durch Ziehen mit einander gegenüberliegenden Bändern, Zugwalzen und ähnlichen Aufwickeleinrichtungen.
Wenngleich ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Energie absorbierenden Gegenstände mit anisotropen Festigkeitseigenschaften das Extrudieren eines schäumbaren thermoplastischen Gels durch eine Düse mit einer Vielzahl von Öffnungen umfasst, die so angeordnet sind, dass durch den Kontakt zwischen aneinandergrenzenden Strömen von geschmolzenem Extrudat die Oberflächen derselben aneinander haften und einen einstückigen koaleszierten Schaumstoffgegenstand bilden, können auch noch andere dem Fachmann bekannte Verfahren verwendet werden, um Gegenstände aus thermoplastischem Schaumstoff zu bilden, die ähnliche oder äquivalente anisotrope Festigkeitseigenschaften zeigen. Alternative Verfahren zur Bildung von Schaumstoffgegenständen mit anisotropen Festigkeitseigenschaften werden in dem US-Patent Nr. 6,213,540 B1, Spalte 7, Zeile 64 bis Spalte 9, Zeile 58 offenbart, das hierin mit einbezogen wird.
Wenngleich zur Herstellung der bei der Erfindung nützlichen extrudierten thermoplastischen Schaumstoffe vorzugsweise ein beheizter Extruder verwendet wird, können Fachleute ohne weiteres stattdessen auch andere Vorrichtungen verwenden, die denselben Zweck erfüllen. In dem US-Patent Nr. 5,817,705 und dem US-Patent Nr. 4,323,528, deren Lehre hierin mit einbezogen wird, wird eine solche Vorrichtung offenbart. Diese als "System aus Extruder und Akkumulator" allge mein bekannte Vorrichtung erlaubt es, ein Verfahren intermittierend und nicht kontinuierlich zu betreiben. Die Vorrichtung umfasst eine Haltezone bzw. einen Akkumulator, wo die schäumbare Zusammensetzung unter Bedingungen bleibt, die das Schäumen verhindern. Die Haltezone ist mit einer Auslassdüse ausgestattet, die in eine Zone mit niedrigerem Druck, zum Beispiel in die Atmosphäre mündet. Die Düse hat eine Öffnung, die offen oder geschlossen sein kann, vorzugsweise über einen Schieber, der sich außerhalb der Haltezone befindet. Der Betrieb des Schiebers bewirkt nur, dass die schäumbare Zusammensetzung durch die Düse fließen kann.
Das Aufschäumen des Schaumstoffs im Anschluss an das Extrudieren einer schäumbaren Zusammensetzung aus der Extrusionsdüse findet geeigneterweise unter normalen atmosphärischen Bedingungen statt.
Die anisotropen Festigkeitseigenschaften jeder der bereits beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können durch Beimengung von kontinuierlichen und/oder diskontinuierlichen Verstärkungsfasern noch weiter verbessert oder erhöht werden, die der Länge nach in einer Richtung ausgerichtet sind, in der eine hohe Schlagfestigkeit erwünscht ist. Geeignete Verstärkungsfasern sind Synthesefasern, wie zum Beispiel Aramid-, Polyester- und Polyolefinfasern; Naturfasern, wie zum Beispiel Sisal; Keramikfasern; Glasfasern; Metallfasern; und dergleichen, wie dies in dem hierin mit einbezogenen US-Patent Nr. 6,213,540 B1 in Spalte 10, Zeilen 1 bis 15, offenbart ist.
Der anisotrope Schaumstoff kann in jede gewünschte Form gebracht werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der anisotrope Schaumstoff eine Planke, Folie oder ein Block aus Schaumstoff, da die meisten Verfahren zur Herstellung von anisotropem Schaumstoff eine Planke, Folie oder einen Block aus dem Schaumstoff bilden. Solche Formen haben im Allgemeinen eine quadratische oder rechteckige Gestalt und eine Vielzahl von ebenen Flächen oder Seiten.
Der isotrope Schaumstoff kann jeder Schaumstoff mit isotropen Eigenschaften sein, der nach einem Verfahren hergestellt wurde, mit dem ein Schaumstoff mit isotropen Eigenschaften hergestellt wird. Vorzugsweise wird der Schaumstoff aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Matrix hergestellt. Vorzugsweise ist der Schaumstoff ein Schaumstoff auf der Basis eines thermoplastischen Poly mers. Im Allgemeinen kann jedes thermoplastische Material, das zur Herstellung von anisotropem Schaumstoff verwendet werden kann, auch zur Herstellung von isotropem Schaumstoff verwendet werden. Mit der Auswahl des Verfahrens zur Herstellung eines Schaumstoffes wird festgelegt, ob ein isotroper oder anisotroper Schaumstoff hergestellt wird.
Bei der Ausführungsform, bei der der verwendete Schaumstoff aus einem duroplastischen Polymer hergestellt wird, kann das duroplastische Polymer ein Polyurethan, Polyharnstoff, Polyisocyanat oder ein Schaumstoff mit einer polymerisierten Epoxidharzmatrix sein. Solche Schaumstoffe können mit in der Technik wohlbekannten Mitteln hergestellt werden. Vorzugsweise werden die duroplastischen Schaumstoffe aus reaktionsfähigen Systemen hergestellt, wobei ein solches reaktionsfähiges System in eine Form gegossen oder gespritzt wird und zu der gewünschten Form aushärten gelassen wird. Ein Polyurethanschaumstoff umfasst vorzugsweise das Reaktionsprodukt eines organischen Isocyanats; eine Verbindung, die mit Isocyanat reaktionsfähige aktive Wasserstoffgruppen enthält; einen Katalysator; ein Treibmittel, zum Beispiel Wasser; und fakultativ einen oder mehrere Zusatzstoffe wie zum Beispiel Tenside, Vernetzungsmittel, Kettenverlängerer, Pigmente, Stabilisatoren, Fungistatika, Bakteriostatika, Füllstoffe und flammhemmende Mittel.
Geeignete Polyisocyanate, die bei der Herstellung von polyurethanhaltigen duroplastischen Schaumstoffen verwendet werden können, werden in dem US-Patent Nr. 6,028,122 in Spalte 3, Zeilen 31 bis 56 beschrieben, wobei relevante Abschnitte hierin mit einbezogen sind; siehe außerdem das US-Patent Nr. 6,127,443 in Spalte 6, Zeilen 33 bis 51, wobei relevante Abschnitte hierin mit einbezogen sind. Geeignete Polyole, die bei der Herstellung von Polyurethanschaumstoffen von Nutzen sind, sind dem Fachmann wohlbekannt und umfassen jene, die in dem US-Patent Nr. 6,028,122 in Spalte 3, Zeile 58 bis Spalte 4, Zeile 5 offenbart sind, wobei relevante Abschnitte hierin mit einbezogen sind. Bei der Herstellung von Polyurethanschaumstoffen nützliche Katalysatoren sind in dem US-Patent Nr. 6,028,122 in Spalte 7, Zeile 6 bis Zeile 17; in dem US-Patent Nr. 6,127,443 in Spalte 6, Zeile 1 bis 16; und in dem US-Patent Nr. 6,316,514 in Spalte 8, Zeile 1 bis 38 offenbart, wobei relevante Abschnitte hierin mit einbezogen sind. Für die Herstellung von Polyurethanschaumstoffen nützliche Treibmittel sind in dem US-Patent Nr. 6,316,514 in Spalte 7, Zeile 37 bis 56 offenbart, wobei rele vante Abschnitte hierin mit einbezogen sind. Weitere geeignete Zusatzstoffe bei der Herstellung von Polyurethanschaumformulierungen sind in dem US-Patent Nr. 6,028,122 in Spalte 7; Zeilen 17 bis 50; in dem US-Patent Nr. 6,127,443 in Spalte 5, Zeile 35 bis Spalte 6, Zeile 32; und in dem US-Patent Nr. 6,316,514 in Spalte 8, Zeile 39 bis Spalte 9, Zeile 53 offenbart.
Zur Herstellung von Schaumstoffen, die bei der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind, werden die Polyisocyanate (a), die Polyole (b) und, falls gewünscht, weitere Verbindungen (c), die Wasserstoffatome tragen, die gegenüber Isocyanaten reaktionsfähig sind, in solchen Mengen umgesetzt, dass das Äquivalenzverhältnis von NCO-Gruppen der Polyisocanate (a) zur Summe der reaktionsfähigen Wasserstoffatome der Komponenten (b) und ggf. (c) 0,7–1,25:1, vorzugsweise 0,90–1,15:1 beträgt. Polyurethanschaumstoffe werden vorteilhafterweise nach dem Einstufenverfahren hergestellt, zum Beispiel mit Hilfe des Hochdruck- oder Niederdruckverfahrens, in offenen oder geschlossenen Formen, zum Beispiel in Metallformen. Das kontinuierliche Aufbringen des Reaktionsgemisches auf geeignete Förderbänder zur Herstellung von Blockschaum ist ebenfalls üblich. Die Polyole, Kettenverlängerer, Zusatzstoffe, Isocyanate etc. werden miteinander gemischt und im Allgemeinen in eine offene oder geschlossene Form eingeleitet. Das Mischen kann ganz in dem Mischkopf stattfinden, d.h. mit Hilfe eines mehrere Ströme verarbeitenden Hochdruck-Mischkopfes, oder die mit Isocyanat reaktionsfähigen Komponenten und die Isocyanatkomponenten können getrennt einer A-Seite (Isocyanat) und einer B-Seite (harzaktive Wasserstoffkomponente) zugegeben und in dem Mischkopf gemischt werden. Wasser ist im Allgemeinen als reaktionsfähiges Treibmittel enthalten, zum Beispiel in Mengen von 0,1 Gew.-% oder mehr, bezogen auf das Gesamtgewicht der Bestandteile, bis 2 Gew.-% oder weniger. Vorzugsweise wird Wasser in Mengen von 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-%, mehr bevorzugt 0,2 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, verwendet. Die Schaumdichten liegen vorzugsweise im Bereich von 270 kg/m³ bis 30 kg/m³, mehr bevorzugt von 200 kg/m³ bis 50 kg/m³, und am meisten bevorzugt bei 65 kg/m³.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die isotropen Schaumstoffe so hergestellt, dass die Schaumstoffe geschlossenzellige Schaumstoffe sind, um die Aufnahme von Wasser durch die Schaumstoffe zu verhindern. Erfahrene Fachleute sind mit Verfahren zur Herstellung von geschlossenzelligen Schaumstoffen vertraut.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der isotrope Schaumstoff ein thermoplastischer Schaumstoff, der nach herkömmlichen Extrusionsverfahren hergestellt werden kann, wie sie zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 3,960,792; dem US-Patent Nr. 4,636,527 und dem US-Patent Nr. 5,106,882 offenbart sind, die hierin mit einbezogen werden. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der isotrope Schaumstoff ein Perlschaumstoff. Perlschaumstoff umfasst expandierte, miteinander verschmolzene kugelige Pellets, die eine zelluläre Mikrostruktur haben. Im Allgemeinen werden die zur Herstellung von Perlschaumstoffen verwendeten Kügelchen hergestellt, indem Treibmittel und geschmolzenes thermoplastisches Polymer miteinander in Kontakt gebracht und beim Abkühlen der Mischung Pellets oder Kügelchen gebildet werden. Die Kügelchen bestehen aus einem Polymer mit einem darin eingearbeiteten Schaumbildner oder Treibmittel. Verfahren zur Herstellung solcher Kügelchen sind in dem US-Patent Nr. 5,026,736 in Spalte 1, Zeile 19 bis Spalte 4, Zeile 16 offenbart, das hierin mit einbezogen wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen werden die zur Herstellung des Perlschaumstoffs verwendeten Kügelchen vorexpandiert, was bedeutet, dass sie einem Vorgang unterzogen werden, bei dem die Kügelchen teilweise expandiert werden. Verfahren zum Expandieren solcher Kügelchen sind in der Technik wohlbekannt. Verfahren zum Vorexpandieren der Kügelchen sind in dem US-Patent Nr. 5,454,703 in Spalte 1, Zeilen 30 bis 55 offenbart, das hierin mit einbezogen wird. Perlschaumstoffe werden hergestellt, wenn die Treibmittel enthaltenden thermoplastischen Kügelchen in einer Form der gewünschten Gestalt unter Wärmeeinwirkung in Kontakt gebracht werden, indem zum Beispiel Dampf durch die Schicht aus Kügelchen geleitet wird, damit es zur Freisetzung des Treibmittels kommt und die Kügelchen aufschäumen und expandieren. Bei diesem Verfahren wird normalerweise die Außenseite der Kügelchen geschmolzen, und die nebeneinander liegenden Kügelchen verschmelzen dann miteinander, während die Kügelchen expandieren. Spezielle Verfahren zur Herstellung solcher Perlschaumstoffe finden sich in dem US-Patent Nr. 5,454,703 in Spalte 1, Zeile 58 bis Spalte 2, Zeile 24, das hierin mit einbezogen wird.
Die erfindungsgemäßen Verbundstrukturen werden hergestellt, indem ein Segment, wie zum Beispiel ein Block, eine Planke oder ein geformtes Teil aus einem anisotropen Schaumstoff längs einer gemeinsamen Seite, Fläche oder dergleichen mit einem geformten Teil aus isotropem Schaumstoff in Kontakt gebracht wird und danach diese gemeinsame Seite, Fläche oder dergleichen aneinander befestigt wird. Das anisotrope Schaumstoffsegment kann auf mehr als einer Seite mit isotropem Schaumstoff in Kontakt gebracht werden. Die Zahl der Seiten oder Flächen des mit dem isotropen Schaumstoffsegment in Kontakt stehenden anisotropen Schaumstoffsegments richtet sich hauptsächlich nach der Anwendung, für die die Verbundstruktur verwendet wird. Bei einer Ausführungsform wird der anisotrope Schaumstoff, der Block oder die Planke auf allen Flächen oder Seiten bis auf eine mit isotropem Schaumstoff in Kontakt gebracht. Bei einer weiteren Ausführungsform wird der anisotrope Schaumstoff vollständig von dem isotropen Schaumstoff gekapselt.
Der anisotrope Schaumstoffblock kann in die gewünschte Form geschäumt oder geformt werden, in der er verwendet wird, oder der anisotrope Schaumstoffblock kann in die gewünschte Form des Energie absorbierenden Gegenstands geschnitten oder geformt werden. Die Verbundstruktur kann nach jedem Verfahren hergestellt werden, das zur Herstellung des gewünschten Verbundstoffs der gewünschten Form führt. Der anisotrope Block und das isotrope Teil können durch Heißluftschweißen, Dampfschweißen, Hochfrequenzschweißen, Klebstoffe, mechanische Befestigungselemente, Reibsitz oder dergleichen verbunden werden, um eine Verbundstruktur zu bilden. Auf diese Weise können Verbundstrukturen mit einer ungewöhnlichen Form oder mit Abschnitten unterschiedlicher Dichte hergestellt werden. Bei einer mehr bevorzugten Ausführungsform wird der anisotrope Schaumstoff in eine Form gelegt, und das zur Herstellung des isotropen Schaumstoffs verwendete Material wird darum herumgelegt und danach zu isotropem Schaumstoff um den anisotropen Schaumstoff herum verarbeitet. Bei der Ausführungsform, wo der anisotrope Schaumstoff ein duroplastischer Schaumstoff ist, lässt man die reaktionsfähigen Bestandteile, die zur Herstellung des duroplastischen Schaumstoffs verwendet werden, um den anisotropen Schaumstoff herum einfließen und miteinander reagieren, um einen isotropen Schaumstoff angrenzend an die gewünschten Flächen des anisotropen Schaumstoffs zu bilden. Ein solcher Schaumstoff kann auf mindestens einer Seite, Fläche oder Oberfläche des anisotropen Schaumstoffs angeformt werden. Alternativ kann der anisotrope Schaumstoff teilweise mit dem isotropen Schaumstoff gekapselt werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der isotrope Schaumstoff getrennt von dem anisotropen Schaumstoff geformt werden, wobei der isotrope Schaumstoff mit einem Hohlraum ausgebildet wird, in den der anisotrope Schaumstoff eingesetzt werden kann.
Vorzugsweise können der anisotrope Schaumstoff und der isotrope Schaumstoff durch Heißverschweißen, einen Klebstoff, ein Klebeband oder durch Reibsitz miteinander in Kontakt gebracht und verklebt werden. Bei der Ausführungsform, wo das Heißverschweißen verwendet wird, werden die miteinander in Kontakt zu bringenden Oberflächen des anisotropen Schaumstoffs und des isotropen Schaumstoffs erwärmt, bis sich das Polymer an den Oberflächen im geschmolzenen Zustand befindet, die zwei Teile werden miteinander in Kontakt gebracht, und beim Abkühlen der polymeren Oberfläche werden die Teile dann zusammengeschweißt. Bei der Ausführungsform, wo die Teile aus Polypropylen bestehen, kann zum Beispiel die Polypropylenoberfläche für 30 bis 60 Sekunden bei 450°F (232°C) geschmolzen und danach in Kontakt gebracht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform können die anisotropen und isotropen Schaumstoffteile längs der gewünschten Flächen in Kontakt gebracht und mit Hilfe einer Klebstoffzusammensetzung zusammengeklebt werden. In der Technik bekannte Klebstoffe können verwendet werden, um isotrope und anisotrope Schaumstoffteile zusammenzukleben. Nützliche Klebstoffe sind warmhärtende Klebstoffe wie zum Beispiel Polyurethanharze und Epoxidharze sowie thermoplastische Klebstoffe wie zum Beispiel Polyethylene, Polypropylene, Ethylencopolymere; Propylencopolymere; und dergleichen. Zu den nützlichen Klebstoffen gehören jene gemäß den US-Patenten Nr. 5,460,870 und Nr. 5,670,211. Der Klebstoff kann auf jede in der Technik bekannte Weise aufgebracht werden, zum Beispiel durch Sprühen, Beschichten oder als Film. Bevorzugte Klebstoffe sind thermoplastisch, weil sie kostengünstiger und möglicherweise wieder verwertbar sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem verwendeten Klebstoff um einen Kunststoffkleber mit energiearmer Oberfläche. Unter einem Kunststoffkleber mit energiearmer Oberfläche sind Materialien zu verstehen, die eine Oberflächenenergie von weniger als 45 mJ/m², geeigneterweise von weniger als 40 mJ/m² und wünschenswerterweise weniger als 35 mJ/m² haben, einschließlich zum Beispiel Polypropylen und Polyamid. Falls gewünscht kann die Oberfläche der Schaumstoffsegmente vor dem Aufbringen des Klebstoffs behandelt oder grundiert werden, um die Haftung zu verbessern. Vorzugsweise werden die Schaumstoffsegmente nicht behandelt oder grundiert, und der Klebstoff wird direkt auf die Oberfläche der Schaumstoffsegmente aufgebracht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Klebstoff um einen Kunststoffkleber mit energiearmer Oberfläche, der aus einer polymerisierbaren Zusammensetzung besteht, die einen Organoboran/Amin-Komplex und eines oder mehrere von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren mit einer olefinischen Ungesättigtheit umfasst und durch radikalische Polymerisation polymerisiert werden kann. Fakultativ kann der Klebstoff außerdem noch eine Verbindung umfassen, die bewirkt, dass der Komplex dissoziiert, um das Boran freizusetzen, um die Polymerisation eines oder mehrerer von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren mit einer olefinischen Ungesättigtheit in Gang zu setzen. Wenn eine Verbindung verwendet wird, die bewirkt, dass der Komplex dissoziiert, wird sie von dem Komplex getrennt gehalten, bis die Polymerisation in Gang gesetzt werden soll. Die polymerisierbare Zusammensetzung, die das Dissoziierungsmittel enthält, kann bei jeder gewünschten Temperatur gehärtet werden, wie zum Beispiel bei oder nahe Umgebungstemperatur oder unter Umgebungstemperatur.
Solche Klebstoffe mit energiearmer Oberfläche umfassen vorzugsweise Klebstoffzusammensetzungen auf Acrylatbasis, wobei die Polymerisation des Acrylatklebstoffmaterials mit einem Alkylboran-Amin-Komplex in Gang gesetzt wird. Durch einen solchen Alkylboran-Amin-Komplex wird die Haftung des Alkylacrylats an Klebstoffmaterialien mit energiearmer Oberfläche, zum Beispiel an thermoplastischen Schaumstoffmaterialien, weiter verbessert. Der Klebstoff wird vorzugsweise aus einer polymerisierbaren Zusammensetzung gewonnen, die Folgendes umfasst:

i) einen Organoboran/Amin-Komplex;
ii) eines oder mehrere von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren mit einer olefinischen Ungesättigtheit, die durch radikalische Polymerisation polymerisiert werden können; und fakultativ
iii) eine Verbindung, die bewirkt, dass der Komplex dissoziiert, um das Boran freizusetzen, um die Polymerisation eines oder mehrerer von Monomeren, Oligomeren oder Polymeren mit einer olefinischen Ungesättigtheit in Gang zu setzen.

Klebstoffe und polymerisierbare Zusammensetzungen, die in der Anmeldung Nr. PCT/US00/33806 und WO 2003/038006 und in der US-Patentveröffentlichung 2002-0033227; in der US-Patentveröffentlichung 2002-0058764 und 2002-028894; in dem US-Patent Nr. 5,106,928; dem US-Patent Nr. 5,143,884; dem US-Patent Nr. 5,286,821; dem US-Patent Nr. 5,310,835; dem US-Patent Nr. 5,376,746; dem US-Patent Nr. 5,539,070; dem US-Patent Nr. 5,616,796; dem US-Patent Nr. 5,621,143; dem US-Patent Nr. 5,681,910; dem US-Patent Nr. 5,686,544; dem US-Patent Nr. 5,718,977; dem US-Patent Nr. 5,795,657 und dem US-Patent Nr. 5,883,208 offenbart sind, die alle hierin mit einbezogen werden, werden zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, um das Strukturteil und das Verstärkungsteil zusammenzukleben.
Das in dem Komplex verwendete Organoboran ist ein Trialkylboran oder ein Alkylcycloalkylboran. Vorzugsweise entspricht ein solches Boran der Formel 1:
wobei B Bor repräsentiert; und R² ist bei jedem Vorkommen getrennt voneinander ein C_1-10-Alkyl oder C_3-10-Cycloalkyl, oder zwei oder mehr R² können kombiniert werden, um einen cycloaliphatischen Ring zu bilden. Vorzugsweise ist R² C_1-4-Alkyl, sogar noch mehr bevorzugt C_2-4-Alkyl und am meisten bevorzugt C_3-4-Alkyl. Zu den bevorzugten Organoboranen gehören Triethylboran, Triisopropylboran und Tri-n-butylboran.
Die zum Komplexieren der Organoboranverbindung verwendeten Amine können jedes Amin oder jede Mischung von Aminen sein, das/die das Organoboran komplexiert und das/die beim Kontakt mit einem Dekomplexierungsmittel dekomplexiert werden kann. Bevorzugte Amine sind die primären oder sekundären Amine oder Polyamine, die primäre oder sekundäre Amingruppen enthalten, oder Ammoniak, wie dies offenbart wird in dem US-Patent Nr. 5,539,070 von Zharov in Spalte 5, Zeilen 41 bis 53, das hierin mit einbezogen wird; in dem US-Patent Nr. 5,106,928 von Skoultchi in Spalte 2, Zeile 29 bis 58, das hierin mit einbezogen wird; und in dem US-Patent Nr. 5,686,544 von Pocius in Spalte 7, Zeile 29 bis Spalte 10, Zeile 36, das hierin mit einbezogen wird; Ethanolamin, sekundäre Dialkyldiamine oder Polyoxyalkylenpolyamine; und Reaktionsprodukte von Diaminen mit endständigen Amingruppen und Verbindungen mit zwei oder mehr Gruppen, die mit Aminen reaktionsfähig sind, wie dies offenbart wird in dem US-Patent Nr. 5,883,208 von Deviny in Spalte 7, Zeile 30 bis Spalte 8, Zeile 56, das hierin mit einbezogen wird. Was die in dem Patent von Deviny beschriebenen Reaktionsprodukte angeht, so umfassen die bevorzugten diprimären Amine diprimäre Alkylamine, diprimäre Arylamine, diprimäre Alkylarylamine und Polyoxyalkylendiamine; und mit Aminen reaktionsfähige Verbindungen sind Verbindungen, die zwei oder mehr Komponenten von Carbonsäuren, Carbonsäureestern, Carbonsäurehalogeniden, Aldehyden, Epoxiden, Alkoholen und Acrylatgruppen enthalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungform umfasst das Amin eine Verbindung mit einem primären Amin und einer oder mehreren, eine Wasserstoffbindung akzeptierenden Gruppen, wobei es mindestens zwei Kohlenstoffatome, vorzugsweise mindestens drei, zwischen dem primären Amin und den eine Wasserstoffbindung akzeptierenden Gruppen gibt. Vorzugsweise befindet sich eine Alkylenkomponente zwischen dem primären Amin und der eine Wasserstoffbindung akzeptierenden Gruppe. Unter einer eine Wasserstoffbindung akzeptierenden Gruppe ist hierin eine funktionelle Gruppe zu verstehen, die durch inter- oder intramolekulare Wechselwirkung mit einem Wasserstoff des borankomplexierenden Amins die Elektronendichte des Stickstoffs der mit dem Boran komplexierenden Amingruppe erhöht. Bevorzugte, eine Wasserstoffbindung akzeptierende Gruppen sind primäre Amine, sekundäre Amine, tertiäre Amine, Ether, Halogen, Polyether, Thioether und Polyamine. Zu den bevorzugten Aminen dieser Klasse gehören Dimethylaminopropylamin, Methoxypropylamin, Dimethylaminoethylamin, Dimethylaminobutylamin, Methoxybutylamin, Methoxyethylamin, Ethoxypropylamin, Propoxypropylamin, Polyalkylenether mit endständigen Amingruppen (wie zum Beispiel Trimethylolpropan-tris(poly(propylenglycol), Ether mit endständigen Amingruppen) und Aminopropylpropandiamin.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Amin ein aliphatischer Heterocyclus mit mindestens einem Stickstoff in dem Heterocyclus. Die heterocyclische Verbindung kann außerdem mindestens einen Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel oder Doppelbindungen enthalten. Außerdem kann der Heterocyclus eine Vielzahl von Ringen umfassen, wobei mindestens einer der Ringe Stickstoff im Ring hat.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist das Amin, das mit dem Organoboran komplexiert ist, ein Amidin. Es kann jede Verbindung mit einer Amidinstruktur verwendet werden, die unter dem Einfluss eines Dekomplexierungsmittels oder unter Wärmeeinwirkung aus dem Alkylboran dekomplexiert. Zu den bevorzugten Amidinen gehören 1,8-Diazabicyclo[5,4]undec-7-en; Tetrahydropyrimidin; 2-Methyl-2-imidazolin; und 1,1,3,3-Tetramethylguanidin und dergleichen.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform ist das Amin, das mit dem Organoboran komplexiert ist, ein konjugiertes Imin. Es kann jede Verbindung mit der Struktur eines konjugierten Imins verwendet werden, die unter dem Einfluss eines Dekomplexierungsmittels oder unter Wärmeeinwirkung aus dem Alkylboran dekomplexiert. Das konjugierte Imin kann ein gerad- oder verzweigtkettiges Imin oder ein cyclisches Imin sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Amin eine alicyclische Verbindung sein, bei der an den alicyclischen Ring ein Substituent gebunden ist, der eine Aminkomponente enthält. Die aminhaltige alicyclische Verbindung kann einen zweiten Substituenten haben, der mindestens ein Stickstoff-, Sauerstoff- oder Schwefelatom oder eine Doppelbindung enthält. Der alicyclische Ring kann ein oder zwei Doppelbindungen enthalten. Die alicyclische Verbindung kann eine aus einem einzigen Ring oder aus einer Vielzahl von Ringen bestehende Struktur sein. Vorzugsweise ist das Amin an dem ersten Substituenten ein primäres oder sekundäres Amin. Vorzugsweise ist der alicyclische Ring ein 5- oder 6-gliedriger Ring. Vorzugsweise sind die funktionellen Gruppen an dem zweiten Substituenten Amine, Ether, Thioether oder Halogene. Aminsubstituierte alicyclische Verbindungen enthalten Isophorondiamin und Isomere von Bis(aminoethyl)cyclohexan.
Zur radikalischen Polymerisation fähige Verbindungen, die bei den polymerisierbaren Zusammensetzungen verwendet werden können, umfassen alle Monomere, Oligomere, Polymere oder Mischungen davon, die eine olefinische Ungesättigtheit enthalten, die durch radikalische Polymerisation polymerisieren kann. Solche Verbindungen sind dem Fachmann wohlbekannt. Mottus, US-Patent Nr. 3,275,611, bietet eine Beschreibung solcher Verbindungen in Spalte 2, Zeile 46 bis Spalte 4, Zeile 16. Beispiele für bevorzugte Acrylate und Methacrylate werden in dem US-Patent Nr. 5,286,821 von Skoultchi in Spalte 3, Zeile 50 bis Spalte 6, Zeile 12 und in dem US-Patent Nr. 5,681,910 von Pocius in Spalte 9, Zeile 28 bis Spalte 12, Zeile 25 offenbart.
Die Organoboran/Amin-Komplexe, die zur Polymerisation derjenigen Verbindungen von Nutzen sind, die zur radikalischen Polymerisation fähige Komponenten aufweisen, erfordern die Anwendung eines Dekomplexierungsmittels oder die Anwendung von Wärme, um das Amin von dem Boran zu verschieben und eine radikalische Polymerisation in Gang zu setzen. Die Verschiebung des Amins von dem Alkylboran kann mit jeder Chemikalie erfolgen, für die die Austauschenergie günstig ist, zum Beispiel mit Mineralsäuren, organischen Säuren, Lewis-Säuren, Isocyanaten, Säurechloriden, Sulfonylchloriden, Aldehyden und dergleichen. Bevorzugte Dekomplexierungsmittel sind Säuren und Isocyanate. Die Polymerisation kann auch durch Wärme in Gang gesetzt werden. Die Temperatur, auf die die Zusammensetzung erwärmt wird, um die Polymerisation in Gang zu setzen, richtet sich nach der Bindungsenergie des Komplexes. Im Allgemeinen beträgt die Temperatur, mit der die Polymerisation durch Dekomplexierung des Komplexes in Gang gesetzt wird, 30°C oder mehr, vorzugsweise 50°C oder mehr. Vorzugsweise beträgt die Temperatur, bei der eine durch Wärme initiierte Polymerisation in Gang gesetzt wird, 120°C oder weniger und mehr bevorzugt 100°C oder weniger. Es kann jede Wärmequelle verwendet werden, die die Zusammensetzung auf die gewünschte Temperatur erwärmt, vorausgesetzt die Wärmequelle hat keine negative Auswirkung auf die Bestandteile der Zusammensetzung oder ihre Funktion.
Bei der Ausführungsform, bei der der anisotrope Schaumstoff und der isotrope Schaumstoff durch Reibsitz zusammengehalten werden, wird der anisotrope Schaumstoff teilweise durch den isotropen Schaumstoff gekapselt, so dass der Sitz fest ist und die Reibung verhindert, dass der anisotrope Schaumstoff leicht aus dem Kontakt mit dem isotropen Schaumstoff entfernt werden kann.
Die relative Menge an verwendetem anisotropem und isotropem Schaumstoff richtet sich nach der Anwendung und nach den Erfordernissen der Anwendung. Die Erfordernisse des Wirkungsgrades der Energieabsorption und der Rückverformbarkeit gleichen sich aus. Wenn ein höherer Wirkungsgrad der Energieabsorption erforderlich ist, wird mehr anisotroper Schaumstoff gewünscht. Wenn dagegen mehr Rückverformbarkeit erwünscht ist, wird mehr isotroper Schaumstoff gewünscht. Um ein gutes Gleichgewicht der Eigenschaften zu erhalten, beträgt die relative Dicke eines jeden der beiden Schaumstoffe vorzugsweise ab mindestens 40 Prozent der Gesamtdicke, und mehr bevorzugt mindestens 45 Prozent. Um ein gutes Gleichgewicht der Eigenschaften zu erhalten, beträgt die relative Dicke ei nes jeden der beiden Schaumstoffe vorzugsweise höchstens 60 Prozent der Gesamtdicke und mehr bevorzugt höchstens 55 Prozent der Gesamtdicke.
Die erfindungsgemäßen Verbundstrukturen haben eine breite Anwendbarkeit beim Transport, bei Versandbehältern, beim Bau und bei der Konstruktion und auch bei Kraftfahrzeuganwendungen. Kraftfahrzeuganwendungen umfassen Energie absorbierende Strukturen für Bug- und Hecksysteme, Türen, Säulen, Dachauskleidungen und Bauteile des Armaturenbretts. Die erfindungsgemäße Verbundstruktur zeigt gute Elastizität bei einem mit niedriger Geschwindigkeit erfolgenden Aufprall, wobei an dem anisotropen Schaumstoffteil der Struktur nur ein minimaler Schaden zu sehen ist. Ferner bietet die anisotrope Schaumstoffstruktur bei einem mit höherer Geschwindigkeit erfolgenden Aufprall ausgezeichnete Energieabsorptionseigenschaften, wodurch das übrige Fahrzeug und die Insassen des Fahrzeugs vor dem Aufprall geschützt werden. Bei einer mehr bevorzugten Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen absorbierenden Strukturen bei Fahrzeugstoßfängern verwendet.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei der Erfindung um ein Fahrzeugstoßfängersystem, das Folgendes umfasst: einen Stoßfängerträger, der am Chassis eines Fahrzeugs befestigt werden kann; ein oder mehr erfindungsgemäße Verbundstrukturen und eine Stoßfängerverkleidung, die den Stoßfängerträger und die Verbundschaumstrukturen bedeckt, so dass sie nicht sichtbar sind; wobei das isotrope Schaumstoffteil zwischen der Verkleidung und dem anisotropen Schaumstoffabschnitt der Verbundstruktur angeordnet ist (vorzugsweise umfasst der anisotrope Schaumstoff eine Vielzahl von orientierten Schaumstoffsträngen, die miteinander verschmolzen sind und an dem Stoßfängerträger befestigt sind, wobei die Richtung der orientierten Stränge der anisotropen Schaumstoffblöcke quer zur Längsrichtung des Stoßfängerträgers verläuft). Vorzugsweise ist mehr als eine Verbundstruktur an dem Stoßfängerträger befestigt. Bei dieser Ausführungsform sollte die Verbundstruktur vorzugsweise so orientiert sein, dass sich der isotrope Schaumstoff auf der Außenseite der Struktur befindet und der anisotrope Schaumstoff dem Stoßfängerträger am nächsten ist. Vorzugsweise ist die Richtung der höchsten Festigkeit bei dem anisotropen Schaumstoff senkrecht zu dem Stoßfängerträger und in einer Richtung orientiert, die von dem Stoßfängerträger hervorsteht. Bei bevorzugten Ausführungsformen können sich die Verbundschaumstrukturen vor Teilen des Fahrzeugs befinden, die besonders geschützt werden müssen, zum Beispiel vor dem Chassisträger, um den Chassisträger des Fahrzeugs zu schützen. Die erfindungsgemäße Verbundstruktur kann durch jedes bekannte Befestigungsmittel an dem Stoßfängerträger befestigt werden, einschließlich mit Hilfe mechanischer Befestigungsmittel oder Klebstoffe, wie zum Beispiel Klebstoffe mit energiearmer Oberfläche. Bevorzugte Klebstoffe zum Verbinden der erfindungsgemäßen Verbundstrukturen mit dem Stoßfängerträger umfassen die hierin bereits beschriebenen Klebstoffe mit energiearmer Oberfläche. Aufgrund von Auslegungsbeschränkungen haben die erfindungsgemäßen Verbundschaumstrukturen bei Verwendung in Stoßfängern vorzugsweise eine Dicke von maximal 75 mm und vorzugsweise zwischen 50 mm und 75 mm. Bei einer Ausführungsform beträgt die Dicke des anisotropen Schaumstoffs 25 mm oder mehr und mehr bevorzugt 30 mm oder mehr. Vorzugsweise beträgt die Dicke des anisotropen Schaumstoffs 50 mm oder weniger und mehr bevorzugt 40 mm oder weniger. Bei einer Ausführungsform beträgt die Dicke des isotropen Schaumstoffs 25 mm oder mehr und mehr bevorzugt 30 mm oder mehr. Vorzugsweise beträgt die Dicke des isotropen Schaumstoffs 50 mm oder weniger und mehr bevorzugt 40 mm oder weniger. Diese Dicken bezeichnen die relativen Dicken in Richtung des erwarteten Aufpralls. Bei einer Ausführungsform kann der Schaumstoff in dem Stoßfänger vollkommen anisotrop sein.
1 veranschaulicht ein Stoßfängersystem, bei dem die erfindungsgemäßen Verbundstrukturen verwendet werden. Insbesondere veranschaulicht 1 ein Stoßfängersystem (11). Das Stoßfängersystem hat drei Schaumstoffblöcke (12), die an einem Stoßfängerträger (13) befestigt sind, der an zwei Chassisträgern (14) befestigt ist. Jeder der Schaumstoffblöcke hat einen anisotropen Abschnitt (15) und einen isotropen Abschnitt (16), wobei der stärkste Abschnitt, der die Richtung der höchsten Festigkeit darstellt, in Richtung weg von dem Stoßfängerträger von dem Stoßfängerträger hervorsteht. Die gesamte Struktur wird von einer Stoßfängerverkleidung (17) bedeckt.
Die Schaumstoffe haben vorzugsweise Druckfestigkeiten in dem für Energie absorbierende Anwendungen nützlichen Bereich, d.h. von 50 kPa bis 2000 kPa, vorzugsweise von 50 kPa bis 1500 kPa und mehr bevorzugt von 70 kPa bis 1000 kPa. Der Wirkungsgrad und die Rückverformung des Schaumstoffs sind Schlüsselfaktoren bei der Schaumstoffleistung. Faktoren wie Druckfestigkeit, Energiemanagement, Kompression etc. werden anhand von Messungen der Schaumstoffei genschaften gemäß ASTM D-1621 "Standard Test Method For Compressive Properties of Rigid Cellular Plastics" ermittelt bzw. berechnet. Bei dem Prüfverfahren wird ein Instron-Prüfgerät, Modell 55R 112S, mit einer Kraftmessdose von 100 kN verwendet. Die Kreuzkopfgeschwindigkeit beträgt 2,54 mm/min pro 25,4 mm Probendicke. Die Proben haben ein Nennmaß von 101,6 mm × 101,6 mm × 25,4 mm. Alle Länge- und Breitenmaße der Proben werden mit Lehren der Marke Mitutoyo Digimatic^TM auf drei signifikante Stellen gemessen, und Dickenmessungen erfolgen mit einem Anzeigegerät der Marke Mitutoyo Digimatic^TM IDF-150E. Alle Proben werden mindestens 40 Stunden bei 23°C und 50% relativer Feuchte konditioniert, bevor sie unter normalen Laborbedingungen getestet werden. Das Instron-Prüfgerät sammelt während der Durchbiegung kontinuierlich Kraft- bzw. Lastdaten, so dass die Kraft (N) im Vergleich zur Durchbiegung (mm) ermittelt wird.
Die Druckspannung (kPa) wird aus der Kraft, dividiert durch die Querschnittsfläche der Probe berechnet. Die Kompression (Prozent) wird aus der Durchbiegung dividiert durch die ursprüngliche Probendicke mal 100 berechnet. Die Probenkompression geht weiter bis 80 Prozent oder bis die Lastgrenze des Instruments erreicht ist. Die Druckfestigkeit wird gemäß Kapitel 9.3.3 von ASTM D1621-00 berechnet. Die Rückverformung, R, (Prozent) wird aus der 5 Minuten nach der Kompression auf 80 Prozent gemessenen Probendicke dividiert durch die ursprüngliche Probendicke mal 100 berechnet.
Spezielle Ausführungsformen
Die folgenden Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung, sollen ihren Umfang aber nicht einschränken. Alle Teile und Prozentsätze sind Gewichtsteile bzw. Gewichtsprozent, wenn nicht anders angegeben.
Eine Reihe quasistatischer und dynamischer Kompressionstests wurde an Verbundschaumblöcken durchgeführt, die aus verschiedenen Mengen von isotropem geschäumtem Polypropylen-Perlschaum (EPP) mit 46 kg/m³ und anisotropem Polypropylenschaum (PP) mit 37,3 kg/m³ bestanden. Die Dichte wurde für jedes Material als Mittelwert von fünf Proben angegeben, die gemessen und gewogen wurden, um die Probendichte zu berechnen. Außerdem wurden die Verbundstoffblöcke nach den folgenden Verfahren zusammengefügt, um mögliche Herstellverfahren zu simulieren: keine Klebstoffgrenzfläche, Klebstoffgrenzfläche mit energiear mer Oberfläche (LESA) und thermisch verklebte Grenzfläche. Bei jenen Proben, die nicht geklebt waren, wurde der Umfang der Blöcke einfach mit Abdeckband verbunden, um zu simulieren, dass der anisotrope Schaumstoffblock mit Presssitz in einen Hohlraum in dem isotropen Schaumstoff eingesetzt war. Thermisch verklebte Proben wurden hergestellt, indem die Grenzfläche jedes Blocks auf die Oberfläche einer mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichteten Platte von 232°C gelegt wurde. Die Proben wurden ungefähr 30 Sekunden gegen die Oberfläche der Platte gehalten und dann von Hand zusammengedrückt, um die geschmolzene Grenzfläche abkühlen zu lassen.
Die oben beschriebenen Proben wurden gemäß der Spezifikation GM216M – "Recoverable Energy Absorbing Foam" (Spezifikation der General Motors Corporation) getestet. In dieser Spezifikation sind die physikalischen Mindestanforderungen für ein als rückverformbarer, Energie absorbierender Polyurethanschaum bekanntes zelluläres Kunststoffprodukt definiert. Die Hauptanwendung dieses Produkts war die Verwendung als Energie absorbierendes Material, das in Verbindung mit anderen Materialien und Strukturen verwendet wird, um den Anforderungen des Sicherheitsstandards "United States Federal Motor Vehicle Safety Standard" (FMVSS) 201U und FMVSS 214 bzw. des Sicherheitsstands FMVSS 581 für Energie absorbierende Stoßfänger gerecht zu werden. Dieses Material kann für Energie absorbierende Anwendungen verwendet werden, wo rückverformbarer Schaumstoff erwünscht ist, wie zum Beispiel Kniepolster, Armaturenbrettverkleidungen, Airbag-Abdeckungen, Türpolster als Seitenaufprallschutz und Gegenmaßnahmen bei Kopfaufprall.
Gemäß Tabelle 2 (Spezielle physikalische Anforderungen) von GM216M war die Rückverformbarkeit mit einem 50mm-Schaumstoffwürfel zu messen. Vor dem Test ist die Anfangsdicke (t_i) der Schaumstoffprobe auf die nächsten 0,03 mm zu messen. Auf einer nichtperforierten Oberfläche war die Probe dann auf 75 Prozent ihrer ursprünglichen Dicke mit einer Geschwindigkeit von 101,6 mm/min zusammenzudrücken. Die endgültige Dicke (t_f) war dann ungefähr fünf Minuten nach Wegnahme der Last auf die nächsten 0,03 mm zu messen. Die Rückverformbarkeit, in Prozent, wurde dann anhand der folgenden Gleichung berechnet: Prozent Rückverformbarkeit = (100·tf)/ti (1)
Das gemäß der Spezifikation GM216M akzeptierte Mindestmaß an Rückverformbarkeit war 80 Prozent.
Vorrichtung für den quasistatischen Kompressionstest
Alle gemäß GM216M durchgeführten quasistatischen Kompressionstests wurden auf einem bei Materials Test System (MTS) erhältlichen langsamen servohydraulischen Testsystem durchgeführt. Das servohydraulische Testsystem war mit einer Kraftmessdose von 0–22,2 kN und mit einem linearen variablen Differentialtransformer (LVDT) von 0–125 mm ausgestattet, um die Übergangskraft bzw. die Verschiebung zu messen. Alle Schaumstoffproben wurden in eine Kompressionstestvorrichtung eingesetzt, die aus zwei flachen Aluminiumplatten und vier polierten Wellen bestand, die auf Linearlagern geführt wurden. Die Aluminiumplatten waren wesentlich größer als die Oberfläche der Schaumstoffprobe, um sicherzustellen, dass die Probe während des Tests gleichmäßig komprimiert wurde.
Die Probendicke wurde vor und fünf Minuten nach Wegnahme der Kraft mit digitalen Lehren von Mitutoyo America Corporation mit einem Messbereich von 150 mm gemessen. An jeder Serie von Schaumstoffproben wurden fünf Wiederholungstests durchgeführt.
Es wurden drei Sätze von Proben verwendet. Bei einem war der isotrope Schaumstoff mittels Klebstoff mit dem anisotropen Schaumstoff verbunden, und bei einem zweiten waren die Schaumstoffe thermisch verklebt, und bei dem dritten waren die Schaumstoffteile mit Klebeband zusammengeklebt. Es wurden mehrere Tests in Schritten von 10 mm durchgeführt, wobei eine Gesamtdicke der Probe in mm von 0 bis 50 mm des anisotropen Schaumstoffs verwendet wurde. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1
Eine graphische Darstellung der Rückverformbarkeit (Prozent) gemäß GM216M in Abhängigkeit von der Dicke des anisotropen Schaumstoffs ist in 2 für alle drei Befestigungsmethoden gezeigt.
Die Daten haben eindeutig gezeigt; dass eine Rückverformbarkeit von 80 Prozent mit einer Dicke des anisotropen Schaumstoffs von ungefähr 20–30 mm bzw. mit 40–60 Prozent der Gesamtdicke des Verbundstoffs erreicht werden kann. Darüber hinaus haben die Daten auch gezeigt, dass das Verbindungsverfahren sehr wenig Einfluss auf die Rückverformbarkeit hat.
Quasistatisches Kompressionsverhalten
Im Gegensatz zur Rückverformbarkeit bestand ein Verfahren zur Charakterisierung des Kompressionsverhaltens eines Schaumstoffs darin, sein konstitutives Verhalten in Form einer Spannungs-Dehnungs-Kurve zu berechnen. Die Übergangsspannung, σ, und die Dehnung, ε, eines gegebenen Materials können anhand der folgenden Gleichungen berechnet werden: Spannung = F/A (2) Prozent Dehnung = Δt/to (3)wobei F die von der Kraftmessdose gemessene Übergangskraft, A die Oberfläche der Schaumstoffprobe, Δt die Änderung in der Dicke der Schaumstoffprobe und t_o die ursprüngliche Dicke der Schaumstoffprobe vor dem Test ist. Es wurden mehrere Tests bei einer Gesamtdicke der Probe von 50 mm in Schritten von 10 mm in einem Bereich von 0 bis 50 mm des anisotropen Schaumstoffs durchgeführt, wobei der Rest isotroper Schaumstoff war. Repräsentative graphische Darstellungen des Einflusses der Dicke des anisotropen Schaumstoffs auf das quasisatische Kompressionsverhalten im Vergleich zur Dehnung sind in 3 bis 5 dargestellt.
3 zeigt die Graphik für thermisch verschweißte Teile. 4 zeigt die Graphik für mittels Klebstoff verbundene Teile, und 5 zeigt die Graphik für mit Klebeband zusammengeklebte Teile.
Die getesteten Proben hatte eine Größe von 50 mm × 50 mm × 50 mm, und die Aktuatorgeschwindigkeit betrug 101,6 mm/min.
Die Höhe der quasistatischen Kompressionsspannung bei einer Dehnung von 70 Prozent ist in Tabelle 2 für jedes getestete Befestigungssystem bei den verschiedenen getesteten Dicken des anisotropen Schaumstoffs dargestellt.
Tabelle 2
Bei einem mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Aufprall wünschen sich die Ingenieure normalerweise Materialien, die in der Lage sind, die Belastung bzw. Spannung zu stabilisieren, wenn die Intrusion bzw. Dehnung zunimmt. Ingenieure bezeichnen diese gewünschte Eigenschaft somit oft als Rechteckwellenverhalten. Die Kurven der quasistatischen Kompressionsspannung im Vergleich zur Dehnung haben eindeutig gezeigt, dass eine Erhöhung des Anteils an anisotropem Schaumstoff zu einer Abnahme der Übergangsspannung bei höheren Dehnungswerten (d.h. > 30 Prozent) führt. Diese Art des Verhaltens deutet somit auf eine Verbesserung in der Leistung hin, da die Dicke des Verbundstoffs konstant gehalten wurde bzw. die Dicke des Verbundstoffs herabgesetzt werden konnte, während gleichzeitig eine äquivalente Leistung erzielt werden konnte gegenüber Proben, die geringere Mengen an anisotropem Schaumstoff enthielten.
Vorrichtung für den dynamischen Kompressionstest
In dem Bemühen, das Kompressionsverhalten von Verbundschaumblöcken unter dynamischen Testbedingungen zu charakterisieren, wurde eine Reihe von Kompressionstests mit einem Aluminiumschlitten von 6,8 kg durchgeführt, der mit einer 12,5 mm dicken Platte mit einer Fläche von 150 mm² ausgerüstet war.
Der Schlitten war mit einem piezoresistiven Beschleunigungsmesser für 0–500 g zum Aufzeichnen der vorübergehenden Verzögerung und mit einer piezoelektrischen Kraftmessdose für 0–22,2 kN ausgerüstet. Der Ausgang des piezoresistiven Beschleunigungsmessers wurde zu einem digitalen Dehnungskonditionierapparat übertragen, während der Ausgang der piezoelektrischen Kraftmessdose zu einem Ladungsverstärker übertragen wurde. Der Ausgang des Dehnungskonditionierapparats und der Ausgang des Ladungsverstärkers wurden dann zu einer analogen Eingabekarte mit 16 Kanälen übertragen. Der Schlitten wurde über Rollenlager auf einem reibungsarmen Gleis geführt. Der Schlitten wurde mit einem bei MTS erhältlichen servohydraulischen Hochgeschwindigkeitstestsystem angetrieben. Die angestrebte Aufprallgeschwindigkeit betrug für diese Serie von Experimenten 6,7 Meter pro Sekunde (m/s).
Dynamisches Kompressionsverhalten
Verbundschaumblöcke wurden einer Reihe von Hochgeschwindigkeits-Kompressionstests mit einer angestrebten Aufprallgeschwindigkeit von 6,7 m/s unterzogen. Für jedes Verbindungsverfahren wurden fünf Wiederholungstests mit Proben von ungefähr 75 mm × 75 mm × 60 mm (Dicke) durchgeführt. Diese spezielle Dicke wurde gewählt, um den Wunsch europäischer Kraftfahrzeughersteller widerzuspiegeln, die den Anforderungen der schwebenden Gesetzgebung zum Fußgängeraufprall gerecht werden wollen, ohne die Dicke des Energie absorbierenden Schaumstoffs von ungefähr 60 mm bei heutigen Stoßfängern zu erhöhen. Es wurden mehrere Tests mit einer Gesamtdicke der Probe von 60 mm in Schritten von 10 mm im einem Bereich von 0 bis 60 mm des anisotropen Schaumstoffs durchgeführt, wobei der Rest isotroper Schaumstoff war. Die Aufprallgeschwindigkeit betrug 15 mph. Eine repräsentative graphische Darstellung des Einflusses der Dicke des anisotropen Schaumstoffs auf das dynamische Kompressionsverhalten im Vergleich zur Dehnung bei Proben aus thermisch verklebtem Verbundschaum stoff ist in 6 bis 8 gezeigt. 6 veranschaulicht die Daten von einer thermisch verklebten Grenzfläche. 7 veranschaulicht die Daten von einer mittels Klebstoff verbundenen Grenzfläche, und 8 veranschaulicht die Daten von Teilen, die mit Klebeband zusammengeklebt waren.
Die Kurven der dynamischen Kompressionsspannung im Vergleich zur Dehnung haben eindeutig gezeigt, dass die Erhöhung des Anteils an anisotropem Schaumstoff zu einer Abnahme in der Übergangsspannung bei höheren Dehnungswerten (d.h. > 50 Prozent) führt. Diese Art des Verhaltens deutet also auf eine Verbesserung in der Leistung bei konstanter Dicke des Schaumstoffs hin, bzw. auf die Möglichkeit einer Verminderung der Dicke des Verbundstoffs, während gleichzeitig eine Leistung erzielt wird, die Proben mit einem geringeren Anteil an anisotropem Schaumstoff entspricht.
Die Höhe der Kompressionsspannung bei einer Dehnung von 70 Prozent für jedes getestete Befestigungssystem bei verschiedenen Dicken des anisotropen Schaumstoffs ist in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3

Claims

Verbundschaumstruktur mit einem ersten Teil aus einem anisotropen thermoplastischen Schaumstoff und einem zweiten Teil aus einem geformten Schaumstoffteil, das einen isotropen Schaumstoff umfasst, wobei sich das anisotrope Schaumstoffteil und das isotrope Schaumstoffteil entlang mindestens einer gemeinsamen Fläche schneiden und das anisotrope Schaumstoffteil eine Vielzahl von orientierten Schaumstoffsträngen umfasst, die miteinander verschmolzen sind.
Verbundstruktur nach Anspruch 1, bei der das isotrope Schaumstoffteil aus einer Vielzahl von Kügelchen aus geschäumtem thermoplastischem Polymer besteht, die miteinander verschmolzen sind.
Verbundstruktur nach Anspruch 1 bis 2, bei der das anisotrope Schaumstoffteil mit dem isotropen Schaumstoffteil verklebt ist, indem die gemeinsame Fläche geschmolzen wird und sie durch einen Klebstoff miteinander verbunden werden.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Teil aus anisotropem Schaumstoff in eine Form gelegt wird, mit einem Treibmittel imprägnierte thermoplastische Kügelchen in den Rest der Form gelegt werden und Dampf unter Bedingungen, bei denen sich die thermoplastischen Kügelchen ausdehnen, an der Oberfläche schmelzen und eine koaleszierte isotrope geschäumte Struktur bilden, die sich mit ein oder mehr Flächen des anisotropen Schaumstoffs verbindet, in die Form eingeleitet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein anisotroper Schaumstoffblock in eine Form eingesetzt wird, reaktionsfähige Bestandteile in die Form gegossen oder gespritzt werden, die beim Kontakt einen isotropen Schaum aus einem geschäumten duroplastischen Polymer unter solchen Bedingungen bilden, dass der isotrope Polymerschaum an mindestens eine Fläche des anisotropen Schaumstoffblocks angrenzt und mit dieser verklebt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) die gemeinsame Fläche eines anisotropen Schaumstoffteils oder eines geformten isotropen Schaumstoffteils oder von beiden wird mit einem Klebstoff in Kontakt gebracht, der sich mit beiden Schaumstoffen verbindet, b) der anisotrope Schaumstoffblock wird mit dem isotropen Schaumstoffteil entlang einer oder mehrerer gemeinsamer Flächen in Kontakt gebracht, wobei sich zwischen den gemeinsamen Flächen Klebstoff befindet, und c) man lässt den Klebstoff den anisotropen Schaumstoffblock mit dem isotropen Schaumstoffteil verkleben.
Fahrzeugstoßfängersystem mit einem Stoßfängerträger, der am Chassis eines Fahrzeugs befestigt werden kann: ein Verbundschaumstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und eine Stoßfängerverkleidung, die den Stoßfängerträger und die Verbundschaumstoffstrukturen bedeckt, so dass sie nicht sichtbar sind.
Fahrzeugstoßfänger nach Anspruch 7, bei dem die Richtung der orientierten Stränge der anisotropen Schaumstoffblöcke quer zur Längsrichtung des Stoßfängerträgers verläuft.