DE69222130T2 - Aus faserverstärktem thermoplastischem Harz geformter Artikel und seine Herstellung - Google Patents

Aus faserverstärktem thermoplastischem Harz geformter Artikel und seine Herstellung

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Description

    Aus faserverstärktem thermoplastischem Harz geformter Artikel und seine Herstellung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen Harzformartikels gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung einen faserverstärkten thermoplastischen Harzformartikel.
  • Der Artikel der Erfindung hat eine durch Fasern verstärkte ausgezeichnete Festigkeit und ist leichtgewichtig, hat eine Rippe, einen Buckel oder einen anderen Vorsprung und wird auf geeignete Weise als Fahrzeugteil u. ä. genutzt.
  • Die GB-A-2232373 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten gerippten Artikels mit den Schritten: Einlegen von Langfaserverstärkungsmaterial in eine Form, Mischen eines Harzes und eines Verstärkungsmaterials zu einer Vormischung, Einspritzen der Vormischung in die Form durch mindestens einen Einlaß, Erstarrenlassen des Harzes und Entnehmen des Artikels aus der Form.
  • Eines der bekannten Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformartikels weist die Schritte des Erwärmens und Pressens einer faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn auf, um ein Erzeugnis herzustellen. Je nach Verstärkungsfaser wird dieses Verfahren in zwei Arten klassifiziert. Eine von ihnen weist die folgenden Schritte auf: Mischen von Monofilamenten mit jeweils einer mittleren Faserlänge von mehreren Millimetern bis 100 mm mit thermoplastischem Harzpulver in nassem oder trockenem Zustand, Bilden einer faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn durch eine Heizwalzenpresse, Vorwärmen der Bahn und anschließendes Pressen der Bahn, um einen faserverstärkten thermoplastischen Harzformartikel zu erhalten (vgl. beispielsweise die US-A-4645565, die der JP-A-28135 (1982) entspricht). Die andere weist die folgenden Schritte auf: Strangpressen eines schmelzflüssigen thermoplastischen Harzes auf eine aus Langfasern bestehende Matte, Laminieren dieser Materialien, Bilden einer faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn durch Walzen sowie Vorwärmen und Pressen der Bahn, um einen faserverstärkten thermoplastischen Harzformartikel zu erhalten.
  • Beim Vorwärmen der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn, um sie zu pressen, dehnt sich die Bahn in Dickenrichtung aus. Die Bahn wird zwischen eine obere und untere Form geführt, ein Schließspalt wird auf einen Abstand eingestellt, der größer als eine Dicke der nicht erwärmten verstärkten thermoplastischen Harzbahn ist, und die Bahn wird unter Druck gesetzt und abgekühlt, um einen Formartikel mit einer größeren Dicke als der der nicht erwärmten faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn zu erhalten, d. h., einen Formartikel mit einem größeren Volumen als dem der nicht erwärmten faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn. Im folgenden wird dies als "Dehnungsformgebung" bezeichnet. Die US- A-4670331 (die der JP-A-179234 (1985) entspricht) offenbart ein Verfahren, das den Schritt der Durchführung der Dehnungsformgebung auf diese Weise aufweist, um einen faserverstärkten thermoplastischen Harzformartikel mit einem großen Volumen, d. h., mit einem geringen Gewicht, zu erhalten.
  • Bei der Dehnungsformgebung wird eine flache Bahn aus einem faserverstärkten thermoplastischen Harz vorgewärmt, zwischen eine obere und untere Form geführt und durch sie unter Druck gesetzt, um eine Bahn mit einer größeren Dicke als der der ursprünglichen nicht vorgewärmten faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn zu bilden. Auch wenn folglich eine Vertiefung in der Form vorgesehen ist, um der Bahn eine Rippe, einen Buckel oder einen anderen Vorsprung zu verleihen, wird die vorgewärmte faserverstärkte thermoplastische Harzbahn nur hauptsächlich in Bahndickenrichtung zwischen den Formen unter Druck gesetzt, und die Bahn fließt nicht an einer Formoberfläche entlang, so daß die Vertiefung nie oder unzureichend mit der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn gefüllt wird. Daher ist es schwierig, einen faserverstärkten thermoplastischen Harzformartikel mit einer Rippe, einem Buckel oder einem anderen Vorsprung zu formen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Formartikel mit einer Rippe, einem Buckel oder einem anderen Vorsprung durch die Dehnungsformgebung einer faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn zu erhalten.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der faserverstärkte thermoplastische Harzformartikel mit einer Rippe, einem Buckel oder einem anderen daran mit ausreichender Bindungskraft angefügten Vorsprung hergestellt, der ein leichtes Gewicht als Ergebnis der Dehnungsformgebung hat.
  • Fig. 1 und 2 sind Querschnittansichten einer erfindungsgemäß verwendeten Formbaugruppe, die jeweils unterschiedliche Betriebspositionen zeigen.
  • Fig. 3 ist eine Querschnittansicht einer abgewandelten Form der erfindungsgemäß verwendeten Formbaugruppe.
  • Spezifische Beispiele für eine in der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn verwendete Verstärkungsfaser sind eine anorganische Faser, beispielsweise eine Glasfaser, eine Kohlenstoffaser und eine Metallfaser (z. B. aus rostfreiem Stahl), eine organische Faser, beispielsweise eine Aramidfaser, sowie eine Mischung aus anorganischen und organischen Fasern. Insbesondere ist die Glasfaser wirtschaftlich und hat eine hohe Verstärkungswirkung. Ein Durchmesser der Faser beträgt gewöhnlich 1 bis 50 µm, vorzugsweise 3 bis 25 µm. Eine Faserlänge beträgt gewöhnlich mindestens 5 mm, im Hinblick auf die Verstärkungswirkung vorzugsweise 5 bis 50 mm.
  • Ein Matrixharz, das durch die Faser in der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn verstärkt wird, kann jedes von thermoplastischen Harzen sein, die gewöhnlich beim Strangpressen, Spritzgießen, Preßformen o. ä. zum Einsatz kommen. Spezifische Beispiele für das Matrixharz sind Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Acrylnitril-Styrol-Butadien-Terpolymer, Polyvinylchlorid, Polyamid, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Styrol- Acrylnitril-Copolymer, eine Mischung daraus und eine sie enthaltende Polymerlegierung.
  • Die faserverstärkte thermoplastische Harzbahn kann eine Bahn sein, die durch ein Papierherstellungsverfahren aus Fasern mit jeweils einer mittleren Länge und thermoplastischem Harzpulver in nassem oder trockenem Zustand gebildet wird, oder eine Bahn, die durch Laminieren und Imprägnieren einer Langfasermatte mit einem schmelzflüssigen thermoplastischen Harz durch Heizwalzen gebildet wird.
  • Das schmelzflüssige thermoplastische Harz, das in die Vertiefung der Form durch den in der Form vorgesehenen Harzkanal zugeführt wird, um die Rippe, den Buckel oder einen anderen Vorsprung des Formartikels zu bilden, kann ein thermoplastisches Harz mit guter Wärmeverschmelzung mit dem Matrixharz der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn sein. Das schmelzflüssige thermoplastische Harz kann mit dem Matrixharz identisch oder analog zu ihm sein. Das schmelzflüssige thermoplastische Harz kann Fasern enthalten.
  • Im folgenden wird die Erfindung näher anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittansicht einer erfindungsgemäß verwendeten Formbaugruppe. Eine obere Form 1 ist an einer oberen Platte einer Preßmaschine befestigt, die sich auf- und abbewegt. Eine Formgebungsfläche der oberen Form ist mit 2 bezeichnet, und eine senkrechte Innenfläche der oberen Form ist mit 3 bezeichnet. Eine untere Form 4 ist an einer feststehenden unteren Platte der Preßmaschine befestigt. Mit 5 ist eine Formgebungsfläche der unteren Form bezeichnet. Die senkrechte Innenfläche 3 der oberen Form gleitet auf einer senkrechten Außenfläche 6 der unteren Form. Eine Vertiefung zum Formen einer Rippe ist mit 7 bezeichnet, und eine Vertiefung zum Formen eines Buckels ist mit 8 bezeichnet. Ein Harzkanal ist mit 9 bezeichnet, und ein Harzzufuhrauslaß ist mit 10 bezeichnet. Ein Ende 11 des Harzkanals ist mit einer (nicht gezeigten) Harzzufuhrvorrichtung zum Zuführen eines schmelzflüssigen thermoplastischen Harzes in einer gewünschten Menge und mit einem gewünschten Druck verbunden. Ein Anschlag ist mit 12 bezeichnet, und eine vorgewärmte faserverstärkte thermoplastische Harzbahn ist mit 13 bezeichnet.
  • Die faserverstärkte thermoplastische Harzbahn wird in einem Ofen o. ä. auf eine Temperatur vorgewärmt, bei der die Harzbahn leicht zu handhaben ist, um sie auf der unteren Form zu positionieren, und bei der die Harzbahn ohne Wärmeabbau leicht zu formen ist. Anschließend wird die Harzbahn auf der unteren Form positioniert.
  • Eine geeignete Vorwärmtemperatur hängt von der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn ab. Gewöhnlich ist die Vorwärmtemperatur 10 bis 100 ºC, vorzugsweise 20 bis 60 ºC, höher als ein Schmelzpunkt des Matrixharzes. Beispielsweise wird die faserverstärkte thermoplastische Harzbahn auf eine Temperatur von 200 bis 250 ºC vorgewärmt, wenn die Verstärkungsfaser eine Glasfaser und das Matrixharz Polypropylen ist. Liegt die Vorwärmtemperatur unter der genannten Untergrenze, ist die Dehnung unzureichend. Liegt sie über der genannten Obergrenze, kommt es zum Wärmeabbau der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn, und die Handhabung ist schwierig.
  • Wird z. B. eine glasfaserverstärkte Polypropylenbahn mit 2 mm Dicke auf 200 bis 250 ºC erwärmt, dehnt sich die Bahn auf eine Dicke von 6 mm aus. Beim anschließenden Komprimieren der Bahn zu einem Formartikel mit einer Dicke von 4 mm, erhält man den Formartikel mit einem Ausdehnungskoeffizienten (Dicke des Formartikelsidicke der ursprünglichen nicht vorgewärmten faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn) von 2,0 (4 mm/2 mm).
  • Gemäß Fig. 1 wird die vorgewärmte faserverstärkte thermoplastische Harzbahn auf der Formgebungsfläche 5 der unteren Form positioniert, wonach die obere Form 1 abwärts bewegt wird. Da die Innenfläche 3 der oberen Form auf der Außenfläche 6 der unteren Form so gleitet, daß die obere und untere Form gemeinsam geschlossen werden, fließt die erweichte faserverstärkte thermoplastische Harzbahn nicht aus den Formen. Bei weiterer Abwärtsbewegung der oberen Form 1 stößt ein tiefstes Ende der oberen Form 1 am Anschlag 12 an, so daß die Abwärtsbewegung der oberen Form 1 beendet wird (vgl. Fig. 2). Während des Schließens der Formen wird die faserverstärkte thermoplastische Harzbahn 13 zwischen der Formgebungsfläche 2 der oberen Form und der Formgebungsfläche 5 der unteren Form komprimiert. In Fig. 2 ist eine Höhe des Anschlags 12 so ausgewählt, daß ein Spalt zwischen der Formgebungsfläche 2 der oberen Form und der Formgebungsfläche 5 der unteren Form größer als eine Dicke der ursprünglichen vorgewärmten faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn ist.
  • Temperaturen der oberen und unteren Form sind gleich oder unterschiedlich, gewöhnlich 10 bis 120 ºC, vorzugsweise 30 bis 100 ºC. Eine Temperatur des in die Form zugeführten schmelzflüssigen thermoplastischen Harzes ist gewöhnlich um 20 bis 150 ºC, vorzugsweise 30 bis 100 ºC, höher als ein Schmelzpunkt des schmelzflüssigen thermoplastischen Harzes.
  • Beim Erreichen der tiefsten Position durch die obere Form 1 gemäß Fig. 1 oder davor oder danach wird eine gewünschte Menge des schmelzflüssigen thermoplastischen Harzes vom Harzzufuhrauslaß 10 durch den Harzkanal 9 zugeführt und in die Vertiefungen 7 und 8 der unteren Form zum Ausbilden der Rippe und des Buckels eingefüllt, so daß die Rippe und der Buckel des Formartikels gebildet und durch Verschmelzen mit einem aus der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn gebildeten Abschnitt integriert werden. Vorzugsweise wird das schmelzflüssige thermoplastische Harz zugeführt, nachdem die obere Form 1 die tiefste Position erreicht hat, da dadurch ein Artikel mit gutem Aussehen und guter Formgebung erhalten wird. Zur ausreichenden Verschmelzung ist vorzugsweise das aus dem Harzzufuhrauslaß 10 zugeführte thermoplastische Harz analog zum Matrixharz der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn und hat eine hohe Bindungskraft durch Wärmeverschmelzen mit ihm. Da die Vorwärmtemperatur der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn im Hinblick auf Abbau und Handhabung begrenzt ist, hat das thermoplastische Harz vorzugsweise eine höhere Temperatur als die faserverstärkte thermoplastische Harzbahn. Vorteilhaft ist, Öffnungen 16 der Vertiefungen 7 und 8 der Form zum Bilden der Rippe, des Bukkels u. ä. gemäß Fig. 3 aufzuweiten.
  • Hat die Vertiefung 7 ein Volumen, das sich beträchtlich von dem der Vertiefung 8 unterscheidet, kann ein Reguliermechanismus zum Steuern der Querschnittfläche jedes Harzzufuhrauslasses 10 verwendet werden, um die Menge des in jede Vertiefung zugeführten Harzes zu regulieren. Der Reguliermechanismus kann von einem Typ sein, der selektiv jeden Harzzufuhrauslaß 10 öffnen und schließen kann, um die Länge der Zeit einzustellen, über die das Harz zugeführt wird. Mit diesem Reguliermechanismus läßt sich das Einfüllen des Harzes in jede Vertiefung vorteilhaft verbessern.
  • Ein Außenschichtmaterial kann auf die faserverstärkte thermoplastische Harzbahn in der Formbaugruppe laminiert werden.
  • Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele veranschaulicht, die keine Einschränkung der Erfindung darstellen.
    • Beispiel 1
  • Eine faserverstärkte thermoplastische Harzbahn mit 2,0 mm Dicke (hergestellt von der Firma K-PLASHEET Corp., Japan) wurde verwendet, die durch ein Papierherstellungsverfahren in nassem Zustand hergestellt wurde und in der Glasfasern (30 Gew.-%) mit 12 bis 13 mm mittlerer Länge als Verstärkungsfasern sowie Polypropylen als Matrixharz verwendet wurden. Die faserverstärkte thermoplastische Harzbahn wurde auf 210 ºC in einem Ofen vorgewärmt und danach sofort auf der Formgebungsfläche der unteren Form gemäß Fig. 1 positioniert. Die obere Form wurde abwärts bewegt. Danach begann eine Kompression, und gleichzeitig wurde ein schmelzflüssiges thermoplastisches Harz in Vertiefungen der unteren Form aus dem Harzzufuhrauslaß durch den Harzkanal zugeführt. Polypropylen (SUMITOMO NOBLEN AX 568, hergestellt von der Firma Sumitomo Chemical Company, Ltd., Schmelzindex 65), das als schmelzflüssiges thermoplastisches Harz zum Einsatz kam, wurde mit 240 ºC zugeführt. Das Formen erfolgte unter den Bedingungen, daß die Flächen 2 und 5 der oberen und unteren Form eine Temperatur von 60 ºC bzw. 50 ºC hatten, ein Preßdruck (waagerechte Projektionsebene) 40 kg/cm² betrug, und die Höhe des Anschlags 12 so eingestellt wurde, daß sich ein Formartikel mit 3,0 mm Dicke an einem Bahnabschnitt davon ohne Rippe und Buckel ergab. Ein faserverstärkter thermoplastischer Harzformartikel mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 1,5 wurde erhalten, mit dem die Rippe und der Buckel vollständig verschmolzen waren.
    • Beispiel 2
  • Das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß eine Bahn mit einem Glasfasergehalt von 40 Gew.-% und einer Dicke von 3,0 mm, die durch Imprägnieren einer Glaslangfasermatte mit schmelzflüssigem Polypropylen hergestellt wurde, als faserverstärkte thermoplastische Harzbahn verwendet wurde, und die Höhe des Anschlags wurde so eingestellt, daß sich ein Formartikel mit 5,0 mm Dicke an einem Bahnabschnitt davon ohne Rippe und Buckel ergab. Ein faserverstärkter thermoplastischer Harzformartikel mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 1,7 wurde erhalten, mit dem die Rippe und der Buckel vollständig verschmolzen waren.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten thermoplastischen Harzformartikels mit den folgenden Schritten:
a) Vorwärmen einer faserverstärkten,thermoplastischen Harzbahn (13), um sie in Dickenrichtung auszudehnen,
b) Zuführen der ausgedehnten Bahn zwischen eine erste Form (1) und eine zweite Form (4) und
c) anschließendes Unter-Druck-setzen und Abkühlen der Bahn (13) unter der Bedingung, daß ein Spalt zwischen der ersten Form (1) und der zweiten Form (4) zum Zeitpunkt des Formschließabschlusses größer als eine Dicke der ursprünglichen, nicht erwärmten, faserverstärkten, thermoplastischen Harzbahn ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) während oder nach dem Schritt c) ein schmelzflüssiges, thermoplastisches Harz in eine Vertiefung (7, 8) in der ersten und/oder zweiten Form durch einen Harzkanal (9) in der Form so zugeführt wird, daß ein aus dem schmelzflüssigen thermoplastischen Harz in der Vertiefung (7, 8) gebildeter Abschnitt durch Verschmelzen mit einem aus der faserverstärkten, thermoplastischen Harzbahn (13) gebildeten Abschnitt integriert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorwärmtemperatur der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn (13) 10 bis 100 ºC höher als ein Schmelzpunkt eines Matrixharzes der faserverstärkten thermoplastischen Harzbahn (13) liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vertiefung der ersten oder zweiten Form (1, 4) nach außen aufgeweitet ist, um sich zu der anderen Form zu öffnen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ein öffnungs-/Schließmechanimsus an einem Harzzufuhrauslaß (10) des Harzkanals (9) vorgesehen ist.
5. Faserverstärkter thermoplastischer Harzformartikel herstellbar durch die folgenden Schritte:
a) Vorwärmen einer faserverstärkten, thermoplastischen Harzbahn (13), um sie in Dickenrichtung auszudehnen,
b) Zuführen der ausgedehnten Bahn zwischen eine erste Form (1) und eine zweite Form (4) und
c) anschließendes Unter-Druck-setzen und Abkühlen der Bahn (13) unter der Bedingung, daß ein Spalt zwischen der ersten Form (1) und der zweiten Form (4) zum Zeitpunkt des Formschließabschlusses größer als eine Dicke der ursprünglichen, nicht erwärmten,faserverstärkten,thermoplastischen Harzbahn ist, und
d) während oder nach dem Schritt c) erfolgendes Zuführen eines schmelzflüssigen,thermoplastischen Harzes in eine Vertiefung (7, 8) in der ersten und/oder zweiten Form durch einen Harzkanal (9) in der Form, so daß ein aus dem schmelzflüssigen,thermoplastischen Harz in der Vertiefung (7, 8) gebildeter Abschnitt durch Verschmelzen mit einem aus der faserverstärkten, thermoplastischen Harzbahn (13) gebildeten Abschnitt integriert wird.
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