DE69831854T2

DE69831854T2 - Gefüllter Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69831854T2
Application number: DE69831854T
Authority: DE
Inventors: Walt H. Gastonia Bassett; Enamul Gastonia Haque
Original assignee: Azdel Inc
Current assignee: Azdel Inc
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: KR100352468B1; KR19990077398A; JPH11323036A; EP0945253A3; TW557315B; ATE306390T1; EP0945253A2; DE69831854D1; EP0945253B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung physischer und mechanischer Eigenschaften von Verbundmaterialien, und insbesondere auf ein Verbessern physischer und mechanischer Eigenschaften thermoplastischer Glasmatten- (GMT-) Verbundmaterialien, die Füllstoffe verwenden.
Hintergrund der Erfindung
Die Industrie, Regierungsregulierungsbehörden und Verbraucher fragen haltbare und billige Produkte nach, die die natürliche Umgebung minimal beeinflussen. Ein Ansatz, eine derartige Nachfrage zu erfüllen, besteht z. B. in der Entwicklung und Herstellung von Automobilen oder Flugzeugen mit Komponenten, die aus leichten Materialien hergestellt sind. Automobile oder Flugzeuge mit leichten Komponenten verbrauchen üblicherweise weniger Energie als ähnliche Automobile oder Flugzeuge, die relativ schwerere Vollmetallkomponenten aufweisen. Folglich erzeugen Automobile oder Flugzeuge mit leichten Komponenten weniger Abfall oder Nebenprodukt, wodurch ihr Einfluss auf die natürliche Umgebung minimiert wird. Die Entwickler und Hersteller der gleichen Produkte müssen jedoch berücksichtigen, dass derartige Produkte üblicherweise einer Vielzahl ausgeübter Kräfte (z. B. Aufprall, Biegen, Dehnen, Verdrehen, usw.) ausgesetzt sind und die Beinhaltung von Materialien mit hoher Festigkeit erfordern, um derartige ausgeübte Kräfte zu tragen. In der Vergangenheit wurden Stahl oder andere Metalle mit hoher Festigkeit in diesen Produkten eingesetzt, derartige Metalle weisen jedoch allgemein ein relativ schweres Gewicht auf. Automobile oder Flugzeuge mit hauptsächlich schweren metall-basierten Komponenten beein flussen die natürliche Umgebung negativ, da sie brennstoffineffizient sind.
Synthetische Polymermaterialien sind häufig in Produkten enthalten, um andere schwerere Materialien, insbesondere schwere Metalle, zu ersetzen. Verglichen mit Metallen mit hoher Festigkeit weisen synthetische Polymermaterialien Eigenschaften einer relativ guten Festigkeit auf, wiegen jedoch weniger als die Metalle mit hoher Festigkeit. Zusätzlich zeigen synthetische Polymermaterialien eine Widerstandfähigkeit gegenüber Korrosion oder extremen Temperaturen, die bestimmten Metallen, die bei der Herstellung von Automobilen und Flugzeugen verwendet werden, fehlt. Diese Eigenschaften machen synthetische Polymermaterialien in Produkten, die den zuvor beschriebenen Kräften ausgesetzt sind, zu einem wünschenswerten Ersatz für Metalle mit hoher Festigkeit.
Zum Angehen des fortwährenden Bedarfs nach leichten Materialien, die haltbare und billige Produkte liefern und die natürliche Umgebung minimal beeinflussen, sucht die Verbundstoffindustrie nach neuen Verfahren und neuen Polymermaterialien, die die Festigkeitseigenschaften eines Produkts beibehalten oder erhöhen, während die Gesamtkosten zur Herstellung des Produkts beibehalten oder gesenkt werden. Thermoplastische Harze, eine sich hervortuende Kategorie synthetischer Polymermaterialien, sind leicht und zeigen eine hohe Zug- und Aufprallfestigkeit. Polypropylen ist ein Beispiel eines populären thermoplastischen Harzes, das auf unterschiedliche Produkte angewendet wird, da es leicht, dennoch steif, widerstandsfähig gegenüber chemischen Substanzen und Wärme ist, und in der Lage ist, einem wiederholten Biegen zu widerstehen. Es ist gleichermaßen wichtig, dass Polypropylen weniger teuer ist als viele andere thermoplastische Harze. Wenn sich Hersteller neue Materialien ansehen, bleibt Polypropylen in thermoplastischen Anwendungen ein Favorit. Die Verwendung von Polypropylen hat eine Reduzierung von sowohl dem Gewicht als auch den Kosten eines Endprodukts unterstützt, während die Recyclingfähigkeit des Endprodukts verbessert wird. Obwohl Propylen für seine geringen Kosten und sein geringes Gewicht bekannt ist, hinkt Propylen alleine Metall- und anderen synthetischen Polymermaterialien in Bezug auf eine Festigkeit hinterher.
Eine übliche Praxis in der Verbundstoffindustrie besteht darin, das synthetische Polymermaterial mit Fasern, wie z. B. Glasfaser, zu verstärken. Endprodukte, die aus derartigen faserverstärkten Materialien hergestellt sind, ziehen einen Vorteil aus einem hohen Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis, das aus der Kombination von Glasfaser mit Kunststoff resultiert. Glasfasern, die in Polypropylen eingebaut sind, führen zu einem Polypropylen-Verbundstoff mit verbesserter Festigkeit. Das U.S.-Patent Nr. 5,643,989 z. B. offenbart einen faserverstärkten funktionalisierten Polyolefin-Verbundstoff. Während eine Verstärkung mit Glasfasern die Festigkeit und Steifigkeit von Polypropylen dramatisch erhöhen kann, ist ihre Verwendung in bestimmten Bereichen eingeschränkt.
In der Vergangenheit war ein Bereich, in dem verstärktes Polypropylen nicht so gut wie andere Kunststoffe funktioniert hat, der Bereich von Stoßfängerbalken für Automobile. Herkömmlicherweise wurden Stoßfänger für Automobile aus Metall hergestellt, und bis die Niedriggeschwindigkeitsaufprall-Anforderungen für das 1974-Modelljahr in ein Gesetz umgesetzt wurden, wurden die meisten Stoßfänger aus Metall hergestellt. Sobald die neuen Standards umgesetzt wurden, haben sich die Hersteller nach Weisen zur Erfüllung dieser neuen Anforderungen umgesehen. Es hat sich herausgestellt, dass aus Kunststoff hergestellte Stoßfänger eine attraktive Alternative sind. Diese neuen Stoßfänger boten einen guten Schutz vor Beschädigung und wiesen ein reduziertes Gewicht und eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion auf.
Die Hersteller von Automobilen suchten nach verbesserten Stoßfängermaterialien, die stark, leicht sind und ihre Form selbst dann behalten, wenn große Einheiten geformt werden. Thermoplastische Stoffe in der Polyolefin-Familie sind ein Favorit bei Formern, insbesondere Polypropylen. Wenn Polypropylen jedoch in ein großes Stück, wie z. B. einen Stoßfängerbalken oder ein Armaturenbrett, geformt wird, ist es üblicherweise nicht ausreichend steif, um einem Aufprall von 5 mph mit einem Fahrzeug zu widerstehen. Für Stoßfängerbalken verwendetes Polypropylen könnte mit Glasfasern verstärkt werden, um dessen Leistung zu verbessern und Aufprallanforderungen, die von Automobilherstellern verlangt werden, zu erfüllen, wie durch das U.S.-Patent Nr. 5,269,547 („Pat. 574") offenbart ist. Das Pat. 574 offenbart einen leichten Stoßfängerbalken, der in der Lage ist, Aufprallen mit geringer Geschwindigkeit zu wiederstehen.
Obwohl Glasfasern eine hervorragende Verstärkungsquelle sind, wird ein Hauptnachteil dem Mangel einer Wechselwirkung zwischen den polaren Oberflächen der Glasfasern mit dem nichtpolaren Polypropylen oder anderen thermoplastischen Harzen, die nichtpolare Oberflächencharakteristika aufweisen, zugeschrieben. Dieser Mangel an Wechselwirkung erzeugt eine sehr schwache Faser/Polymer-Grenzfläche und führt zu einer Trennung der Faser von dem Polymer, was zu Oberflächenunvollkommenheiten und einer geschwächten Struktur führt. Um dieses Problem zu bekämpfen, haben Hersteller Glasfasern, kurz nachdem dieselben gebildet werden, mit einer Zusammensetzung, die oftmals Leim bezeichnet wird, behandelt, die den Fasern Gleit- und Schutzeigenschaften verleiht. Der Leim oder das Leimmittel schützt die Faser vor einer Zwischenfilamentabnutzung, während die Wechselwirkung oder Adhäsion der Fasern mit dem Polymer erhöht wird. Folglich unterstützt das Leimmittel die Bereitstellung einer Festigkeit für verstärkte Polymere und die aus denselben hergestellten Produkte.
Eine wesentliche Menge einer Verstärkungsglasmatte wird üblicherweise benötigt, um eine thermoplastische Lage zu ergeben, die für die Industrie akzeptable Eigenschaften einer mechanischen Festigkeit aufweisen. Druckbelastungen und Drehbewegung des verstärkten thermoplastischen Stoffs z. B. sind anzutreffen, wenn mit einer Glasfasermatte verstärkte thermoplastische Stoffe geprägt werden. Das Prägen führt zu einem Fluss des gesamten Filamentbündels oder Strangs der Glasfaser. Der Fluss eines Bündels von Glasfasern oder eines Abschnitts einer Glasmatte, eingebettet in das thermoplastische Harz, führt zu einer Oberflächenunvollkommenheit, wie z. B. Rauhigkeit, Verformung, Welligkeiten oder Riffelung auf dem letztendlichen geprägten Produkt. Ein Erhöhen der Konzentration der verstärkenden Glasmatte erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens derartiger schädlicher Oberflächenunvollkommenheiten.
Forscher in der Kunststoffindustrie suchen nach Wegen, um die Eigenschaften von glasverstärkten Polymermaterialien weiter zu verbessern. Füllstoffe werden allgemein in relativ hohen Konzentrationen (z. B. mehr als 5 %) verwendet, um entweder ein Kunststoffmaterial zu verstärken, oder als ein Streckmittel verwendet. Ein verstärkender Füllstoff sollte eine mechanische Verbesserung oder eine Wärmeeigenschaftsverbesserung für die Polymermatrix des Polymermaterials schaffen. Streckmittel bestehen aus einem im Allgemeinen billigen Füllstoff, der zu Polymermaterialien zugegeben wird, um die Kosten zu reduzieren oder die Verarbeitung der Polymermaterialien zu verbessern.
Füllstoffe werden auch in Verbindung mit Fiberglas in wärmeaushärtbaren Polymerformulierungen eingesetzt. Lagenformverbindung (SMC) und faserverstärkte Kunststoffe (FRP) verwenden üblicherweise hohe Ladungen an Mineralfüllstoffen, um ein Schrumpfen und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zu verbessern sowie die Kosten zu senken. Bei SMC und FRP, die derartige wärmeaushärtbare Polymere verwenden, besteht eine bestimmte Verbesserung der Steifigkeit mit wenig Veränderung an einer Aufprallfestigkeit. Dies ist teilweise aufgrund der inhärent niedrigen Aufprallcharakteristika, die SMC- oder FRP-Materialien zugeordnet sind, und der verstärkenden Natur des wärmeaushärtbaren Polymers so.
Die Zugabe von Füllstoffen in thermoplastische Materialien führt jedoch im Gegensatz zu wärmeaushärtbaren Polymerformulierungen üblicherweise zu einem Verlust einer Aufprallfestigkeit bei dem resultierenden Endprodukt. Tabelle 1 unten stellt dies unter Verwendung von Polybutylen-Terephthalat (PBT) als ein Beispiel dar.
TABELLE 1
Ein Gleichgewicht zwischen Füllstoff und Glasgehalt muss erzielt werden, um den Effekt der Zugabe von Füllstoffen auf die Festigkeitscharakteristika des Endprodukts zu minimieren.
Ein ähnlicher Verlust einer Aufprallfestigkeit von der Zugabe von Füllstoffen wurde für Endprodukte auf Polypropylen- (PP-) Basis beobachtet, wie unten in Tabelle 2 gezeigt ist. TABELLE 2

¹ 1·Foot-Pound/Zoll = 53,74 N = 53,74 kg·m/s²
² 1·ksi = 703,1·kg/m²

Benötigt wird ein GMT-Verbundmaterial, in das Füllstoffe eingebunden sind, das verbesserte physische und mechanische Eigenschaften gegenüber nichtgefüllten GMT-Verbundmaterialien aufweist. Weiter benötigt wird ein GMT-Verbundmaterial, das wesentlich reduzierte Gesamtkosten aufweist, das eine Aufprallfestigkeit und eine Zugfestigkeit bereitstellt, die nichtgefüllten GMT-Verbundmaterialien ähneln oder größer als dieselben sind. Ferner wird ein GMT-Verbundmaterial benötigt, das Füllstoffe aufweist, das für Automobil-Stoßfängerbalken verwendet werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein GMT-Material bereit, in das Füllstoffe eingebunden sind, das verbesserte physische und mechanische Eigenschaften gegenüber ähnlichen nichtgefüllten GMT-Verbundmaterialien aufweist. Ferner schafft die Erfindung ein GMT-Verbundmaterial, das wesentlich reduzierte Gesamtkosten aufweist, das eine Aufprallfestigkeit und eine Zugfestigkeit aufweist, die nichtgefüllten GMT-Verbundmaterialien ähneln oder größer als dieselben sind. Ferner schafft die Erfindung ein GMT-Verbundmaterial, das Füllstoffe aufweist, die für Automobil-Stoßfängerbalken verwendet werden können. Ferner schafft die Erfindung einen GMT-Verbundstoff, der eine höhere Stegfestigkeit aufweist als nichtmineralgefüllte GMT-Materialien. Ferner schafft die Erfindung einen GMT-Verbundstoff, der größere Langzeitwärmealterungs- (LTHA-) Eigenschaften aufweist als nichtmineralgefüllte GMT-Materialien.
Das GMT-Verbundmaterial weist in seiner grundlegenden Form ein Polyolefin, Glasfasern und einen Füllstoff auf. Der bevorzugte Verbundstoff umfasst ein Polyolefin, eine Glasfasermatte aus zerhackten Glasfasern mit einer Länge von zumindest 12,7 mm (1/2 Zoll) und einen Füllstoff, vorzugsweise einen Talk-, Mica-, Kalziumcarbonat- oder Bariumsulfatfüllstoff. Das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung könnte in einer Einzelmattenharzlage oder einem laminierten Produkt erzeugt werden und kann für geformte Teile verwendet werden, wie z. B. einen Automobil-Stoßfängerbalken, ein Innenarmaturenbrett oder einen LKW-Ladeflächenschutz.
Das Polyolefin ist vorzugsweise aus Polypropylenen, Polyethylenen, Polymethylpentenen und Copolymer-Mischungen derselben ausgewählt. Das Polyolefin könnte auch amorphe Polyolefine, im Wesentlichen Kristallin-Polyolefine (z. B. ataktisch, isotaktisch oder syntaktisch), säuremodifizierte Polyolefine (z. B. Maleinsäure-Anhydrid), Homopolymere oder Copolymer-Mischungen derselben umfassen. Die Glasfasern besitzen eine Länge von mehr als etwa 1/4 Zoll (6,4 mm) und besitzen vorzugsweise eine Länge von zumindest etwa 1/2 Zoll (12,7 mm). Die Glasfasern könnten eine durchgehende Glasmatte, wie z. B. unidirektionale oder zufällige Matten und gewebte oder nicht gewebte Matten, oder zerhackte Fasern, wie zuvor erwähnt wurde, sein. Der Glasfasergehalt in dem gefüllten Verbundmaterial beträgt von etwa 10 bis etwa 70 % und beträgt vorzugsweise von etwa 10 bis etwa 60 %. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden geleimte Fasern, die vor der Beinhaltung in das Verbundmaterial mit bekannten Leimmitteln hergestellt werden, verwendet.
Der Füllstoff könnte ein Mineralfüllstoff sein und ist vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die aus Glasfaser, Kaolin, Mica, Wollastonit, Kalziumcarbonat, Talk, ausgefälltem Kalziumcarbonat, Holzmehl, Flugasche, MoS₂, Ferrit, Eisenoxid, Hohlkugeln, Aluminiumtrihydrat (ATH), Mg(OH)₂, TiO₂, ZnO, Baryten, Satinweiß, Eisenoxid, Metallpulver, Oxiden, Chromaten, Cadmium, geräuchertem Siliziumdioxid, Glaskugeln und basischem Bleisilikat besteht. Der Füllstoff weist eine Teilchengröße von etwa 2 Mikrometern bis etwa 500 Mikrometern auf und beträgt von etwa 5 bis etwa 50 Gewichtsprozent des gefüllten Verbundmaterials.
Aufgaben der Erfindung
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gefülltes Verbundmaterial bereitzustellen, das wesentlich reduzierte Gesamtkosten aufweist, während eine Aufprallfestigkeit und eine Zugfestigkeit bereitgestellt werden, die größer als bei nichtgefüllten Verbundmaterialien sind oder denselben ähneln.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gefülltes Verbundmaterial bereitzustellen, das eine durchgehende zufällige Glasmatte aufweist, das eine Aufprall- und Zugfestigkeit aufweist, die größer als oder gleich wie bei ähnlichen nichtgefüllten Verbundmaterialien sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gefülltes Verbundmaterial bereitzustellen, das zerhackte Glasfasern aufweist, das eine Aufprall- und Zugfestigkeit aufweist, die größer als oder gleich wie bei ähnlichen nichtgefüllten Verbundmaterialien sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gefülltes Verbundmaterial bereitzustellen, das eine Glasfaserverstärkung aufweist, das wärmeformbar und prägbar ist.
Eine weitere bestimmtere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen GMT-Verbundstoff bereitzustellen, der eine höhere Stegfestigkeit aufweist als nichtmineralgefüllte GMT-Materialien.
Eine weitere bestimmtere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen GMT-Verbundstoff bereitzustellen, der größere Langzeitwärmealterungs- (LTHA-) Eigenschaften aufweist als nichtmineralgefüllte GMT-Materialien.
Eine weitere bestimmtere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gefülltes Verbundmaterial bereitzustellen, das zerhackte Glasfasern aufweist, das ein Schrumpfen und eine Verformung eines Produkts, das aus dem gefüllten Verbundmaterial gebildet ist, minimiert, und das eine Aufprall- und Zugfestigkeit aufweist, die größer als oder gleich wie bei ähnlichen nichtgefüllten Verbundmaterialien sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein billiges thermoplastisches Glasmatten-Verbundmaterial bereitzustellen, das verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
Eine weitere bestimmtere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gefülltes thermoplastisches Glasmatten-Verbundmaterial bereitzustellen, das für Stoßfängerbalken in Automobilen verwendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung
Während Polypropylen in dieser Anmeldung sehr häufig erwähnt wird, soll das gefüllte Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung nicht auf Polypropylen-Harze eingeschränkt sein, sondern könnte auch Derivate von Polypropylen sowie Polyethylen und andere thermoplastische harzige Materialien umfassen. Ferner können Derivate von Polyethylen verwendet werden und können eine Funktionalisierung aufweisen, die zu dem Polyethylen hinzugefügt wird, um ein Verbundmaterial herzustellen, das überragende Leistungscharakteristika aufweist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung mechanischer Eigenschaften von wärmeformbaren und prägbaren Polyolefin-Verbundstoffen, insbesondere von thermoplastischen Glasmatten- (GMT-) Materialien. Die Erfindung schafft ein gefülltes Verbundmaterial, das in seiner grundlegenden Form ein Polyolefin, Glasfasern und einen Füllstoff aufweist. Das bevorzugte gefüllte Verbundmaterial umfasst ein Polyolefin, eine Glasfasermatte oder zerhackte Glasfasern mit einer Länge von zumindest 6,4 mm (1/4 Zoll) und einen Füllstoff, vorzugsweise einen Talk-, Mica-, Kalziumcarbonat- oder Bariumsulfat-Füllstoff.
Geeignete thermoplastische harzige Materialien, die bei der Herstellung des Verbundmaterials der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden könnten, umfassen Polyolefine, wie z. B. Polypropylen, Polyethylen, Polymethylpenten und Copolymer-Mischungen derselben. Die Polyolefine könnten amorphe Polyolefine, im Wesentlichen Kristallin-Polyolefine (z. B. ataktisch, isotaktisch oder syntaktisch), säuremodifizierte Polyolefine (z. B. Maleinsäure-Anhydrid), Homopolymere oder Copolymer-Mischungen derselben sein.
Glasfasern, die zur Verstärkung thermoplastischer Matrizen der Erfindung dienen, weisen Längenbereiche von etwa 1/4 Zoll (6,4 mm) bis zu einer unendlichen Länge auf, d. h. eine durchgehende Glasmatte, und besitzen vorzugsweise eine Länge von zumindest 1/2 Zoll (12,7 mm). Glasmatten werden mit Glasfasern hergestellt, die eine einheitliche Fasergröße (z. B. K oder T) gemäß einer bekannte Praxis aufweisen. Die Ausdrücke „K" und „T", die bei einer Bezugnahme auf Fiberglas verwendet werden, sind Bezeichnungen eines Faserdurchmessers und die Fasern weisen einen Durchmesser von 13 bzw. 23 Mikrometern auf. Derartige Matten, insbesondere durchgehende Strangnadelmatten, sind besonders nützlich zur Herstellung verstärkter thermoplastischer Polyolefin-Harzlagen der vorliegenden Erfindung und könnten unidirektionale oder zufällige Matten und gewebte oder nichtgewebte Matten sein. Der Glasfasergehalt in dem gefüllten Verbundmaterial beträgt von etwa 10 % bis etwa 70 % und vorzugsweise von etwa 25 % bis etwa 50 %. Geleimte Fasern könnten gemäß bekannten Leimverfahren vor der Beinhaltung in das Verbundmaterial verwendet und hergestellt werden. Herkömmliche Leimzusammensetzungen auf Silanbasis könnten auf die Glasfasern aufgebracht werden.
Die Zugabe von Füllstoffen zu faserverstärkten Verbundmaterialien reduziert traditionell sowohl das Schrumpfen als auch eine Verformung zerhackter Faserprodukte. Polypropylen z. B. ist ein Material mit geringer Oberflächenenergie, das eine polare Komponente einer Oberflächenspannung aufweist, die etwa null ist. Dieser Mangel einer polaren Funktionalität bei Polypropylen wurde als Hauptgrund für dessen Trägheit, schlechte Adhäsion, schlechte Benetzbarkeit und schlechte Lösungsmittelwiderstandskraft ausgemacht. Talk ist ein Material mit hoher Oberflächenenergie mit einer hohen polaren Komponente. Durch das Einführen von Talk oder anderen Mineralfüllstoffen wird die Oberflächenenergie des Polypropylens verbessert und das Schrumpfen und die Verformung zerhackter Faserprodukte, die Polypropylen beinhalten, werden minimiert. Insbesondere wird die polare Komponente der hierin beschriebenen erfundenen Verbundmaterialien erhöht.
Geeignete Füllstoffe, die in dem Verbundmaterial der Erfindung verwendet werden, stammen aus Mineralquellen. Zusätzlich sind verschiedene chemische Zusammensetzungsklassen von Füllstoffen geeignet zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung, wie z. B. Carbonat (natürlich oder synthetisch), Siliziumdioxid (natürlich oder synthetisch), Silikat, Sulfat, Oxide, Chromate, Kadmium, Kohlenstoff und organische Pigmente. Mineralfüllstoffe können aus der Gruppe ausgewählt werden, die Kaolin, Mica, Kalziumcarbonat, Talk, TiO₂, geräuchertes und ausgefälltes Siliziumdioxid und ausgefälltes Kalziumcarbonat aufweist. Kaolin ist ein üblicher Name für Ton oder Aluminiumsilikat.
Fiberglas, Mica, Wollastonit und Kaolin können als eine Verstärkung in den Verbundmaterialien verwendet werden. Wollastonit ist ein häufiger Name für Kalziumsilikat in einer kristallinen Faserform. Kalziumcarbonat kann zur Kostenreduzierung der Verbundmaterialien verwendet werden. MoS₂ kann als ein Gleitmittel verwendet werden. Ferrit und Eisenoxid können verwendet werden, um magnetische Charakteristika zu verleihen. Hohlkugeln können zum Reduzieren des Gewichts verwendet werden. Aluminiumtrihydrat („ATH") und Mg(OH)₂ können zum Hinzufügen von Flammenhemmungscharakteristika verwendet werden. TiO₂, ZnO, Kaolin, Baryte und Satinweiß können als ein Bleichfüllstoff verwendet werden. Eisenoxid kann als ein Schwärzungsfüllstoff verwendet werden. Metallpulver kann verwendet werden, um eine elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen. Kaolin und Talk können verwendet werden, um einen elektrischen Widerstandswert bereitzustellen. TiO₂ und ZnO können verwendet werden, um eine Undurchsichtigkeit bereitzustellen. Oxide, Chromate und Cadmium können zur Bereitstellung einer Farbe verwendet werden. Geräuchertes Siliziumdioxid und Glaskugeln können als ein rheologisches Mittel verwendet werden. Basisches Bleisilikat kann zur Bekämpfung von Korrosion verwendet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Füllstoff aus der Gruppe von Talk-, Mica-, Kalziumcarbonat- und Bariumsulfatfüllstoff ausgewählt.
Die Teilchengröße der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Füllstoffe weist einen Durchmesserbereich von etwa 2 Mikrometer bis etwa 500 Mikrometer und vorzugsweise von etwa 5 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer auf. Der Füllstoffgehalt in dem gefüllten Verbundmaterial beträgt von etwa 5 bis etwa 50 und beträgt vorzugsweise von etwa 20 bis etwa 40 Gewichtsprozent des Verbundmaterials. Leimmittel können auch mit den Füllstoffen verwendet werden, z. B. als eine Hilfe beim Binden des Füllstoffs mit dem Verbundmaterial. Eine Einzelmattenlage kann aus dem gefüllten Verbundmaterial mit variierender Dicke gebildet werden. Die vorstehenden Komponenten können gemäß einer bekannten Praxis, wie z. B. Trocken- und Nassmischverfahren, gemischt werden.
Die Beinhaltung der Füllstoffe in das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung hat unerwarteterweise zu einer Beibehaltung oder Verbesserung bei der Aufprallfestigkeit und Zugfestigkeit des Verbundmaterials geführt. Proben von Verbundmaterialien auf Polypropylenbasis, in die Füllstoffe beinhaltet wurden, die im Folgenden detaillierter beschrieben werden, zeigten überraschenderweise z. B. gleiche oder bessere Aufprallfestigkeiten und Zugfestigkeiten als nichtgefüllte Verbundmaterialien auf Polypropylenbasis.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine wesentliche Verbesserung bei DYNATUP-Instrumental-Aufpralltests und eine Beibehaltung oder Verbesserung bei Zugfestigkeitstests. Der Ausdruck „DYNATUP" ist ein Markenname für ein Instrument, das Aufpralltests durchführen kann. Nichtgefüllte zufällige GMT-Verbundstoffe mit einem Glasfasergehalt von etwa 30 bis etwa 40 % weisen eine DYNATUP-Instrumental-Aufprallfestigkeit von etwa 2,07 kgm (15) bis etwa 2,21 kgm (16 Foot-Pound) auf, wohingegen nichtgefüllte zerhackte Faser-GMT-Verbundstoffe, die einen Glasfasergehalt von etwa 32 % bis etwa 40 % aufweisen, eine DYNATUP-Aufprallfestigkeit von etwa 1,80 kgm (13) bis etwa 1,94 kgm (14 Foot-Pound) zeigen. Unerwarteterweise zeigt ein gefülltes Verbundmaterial durch die Zugabe von Füllstoffen in Polyolefinverbundstoffen, wie z. B. Polypropylen oder Polyethylen, eine DYNATUP-Festigkeit, die größer als oder gleich wie bei den nichtgefüllten GMT-Verbundstoffen ist. Gefüllte zufällige GMT-Verbundstoffe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, die einen Glasfasergehalt von etwa 30 % bis etwa 40 % aufweisen, zeigen eine DYNATUP-Aufprallfestigkeit in einem Bereich von etwa 2,21 kgm (16) bis etwa 2,77 kgm (20 Foot-Pound). Gefüllte zerhackte Faser-GMT-Verbundstoffe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, die einen Glasfasergehalt von etwa 26 % bis etwa 33 aufweisen, zeigten eine DYNATUP-Aufprallfestigkeit von etwa 15 bis etwa 18 Foot-Pound.
Die hierin beschriebenen gefüllten GMT-Verbundstoffe weisen mechanische Eigenschaften auf, die nichtgefüllten GMT-Verbundstoffen ähneln oder gegenüber denselben wesentlich verbessert sind. Die Verwendung von Füllstoffen in wesentlichen Mengen nach Gewichtsprozent erlaubt eine Herstellung synthetischer Polymermaterialien mit geringeren Kosten, während die mechanischen Eigenschaften der Verbundmaterialien beibehalten oder verbessert werden.
Alternative Ausführungsbeispiele
Nachdem ein gefülltes Polyolefin-Verbundprodukt hergestellt ist, könnte es in Lagen, die Formlinge genannt werden, vorgeschnitten werden. Diese Formlinge werden auf eine Temperatur gerade oberhalb ihres Erweichungspunkts vorgeheizt. Dies wird üblicherweise mit Infrarotheizern in einer Haltevorrichtung durchgeführt, die mit einer modifizierten mechanischen Prägepresse verbunden ist. Erweichte Formlinge werden dann auf eine offene gekühlte angepasste Metallform, die in der Presse angebracht ist, geladen. Die Form wird dann schnell geschlossen und die Presse wird 5 bis 15 Sekunden lang auf das Unterteil abgelegt, um ein Abkühlen der Lage zu ermöglichen. Die Presse wird dann geöffnet und ein geformtes Teil wird entfernt. Relativ komplexe isotrope Teile, die kein Trimmen erfordern, können mit sehr hohen Produktionsraten in einer Form geformt werden. Dies ist vorzugsweise mit Stahlprägen vergleichbar, das allgemein mehrere „Aufschläge" in mehreren Formen und Pressen erfordern würden, um eine vergleichbare Lage zu prägen.
Das hierin beschriebene gefüllte Polyolefin-Verbundprodukt wird idealerweise für Automobil-Stoßfängerbalken und andere gebildete Teile verwendet, die Fahrzeugtafeln, Innenarmaturenbretter und LKW-Ladeflächenschutz umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Insbesondere ist das hierin beschriebene gefüllte Polyolefin-Verbundprodukt ideal geeignet zur Verwendung in dem Stoßfängerbalken des Pat. 574, wie zuvor beschrieben wurde. Ein GMT-Verbundmaterial, das ein Polyolefin, Glasfasern mit einer Glasfaserlänge von zumindest etwa 1/4 Zoll (6,4 mm) und einen Füllstoff aufweist, wird z. B. unter Verwendung eines Druckformvorgangs geformt. Das gefüllte GMT-Verbundmaterial wird vorgeheizt und zu einem Druckformwerkzeug übertragen, wo der Stoßfänger gebildet wird. Der Stoßfängerbalken, der aus dem gefüllten GMT-Verbundmaterial gebildet wird, ist ein I-Balken mit einer Vorderwand, einer Rückwand, einem Querbauteil, das die Vorder- und die Rückwand verbindet, und zumindest einem Verstärkungssteg, der von der Vorder- zu der Rückwand des I-Balkens läuft. Die Stege können in einer beliebigen Struktur oder Ausrichtung angeordnet sein, die Unterstützung für die Vorderwand liefert, und können vorzugsweise in einer Querstruktur platziert sein, wobei die Achse der Stege senkrecht in Bezug auf das Querbauteil positioniert ist. Der I-Balken könnte auch ein Abdeckbauteil aufweisen, um den Innenabschnitt des I-Balkens abzuschirmen und eine Gestaltung für den Stoßfängerbalken bereitzustellen. Alternativ ist der aus dem gefüllten GMT-Verbundmaterial gebildete Stoßfängerbalken ein C-förmiger oder geschlossener Abschnittsbalken.
Beispiele
Materialproben 1 bis 9 wurden gemäß standardmäßigen ASTM- (ASTM = American Society for Testing Materials) und ISO- (ISO = International Standard Organization) Prozeduren unter Verwendung von Polypropylenharz hergestellt. Die Materialproben umfassten Proben 1 und 2, durchgehende zufällige GMT-Verbundstoffe, die als Vergleichsproben zum Vergleich gegenüber Proben 3 und 4 dienen, talkgefüllten durchgehenden zufälligen GMT-Verbundstoffen, und eine Probe 5, einen bariumsulfatgefüllten durchgehenden zufälligen GMT-Verbundstoff. Bei Testen der Probe 5 auf Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Stegfestigkeit, Druckfestigkeit und Aufprall zeigte diese Verbesserungen in allen Bereichen (siehe Tabelle 3), bis auf eine Druckfestigkeit. Vollständig unerwartet war die Beibehaltung oder der wesentliche Anstieg einer Leistung der gefüllten durchgehenden zufälligen Faserproben (d. h. Probe 3, Probe 4 und Probe 5) beim Testen auf Zugfestigkeit, Stegfestigkeit und Aufprall. Die Aufpralltests wurden auf einer Dynatup-Maschine laufen gelassen und zeigten einen 7- bis 35%igen Leistungsanstieg der Proben 1 und 2, die keine Füllstoffe enthielten. TABELLE 3

¹ 1·Foot-Pound/Zoll = 53,74 N = 53,74 kg·m/s²
² 1·KSI = 703,1·kg/m²
³ 1·Foot-Pound = 1,356 Nm = 0,1383 kgm
⁴1·Unze = 28,35 g (Gramm)

Zusätzlich wurden Materialproben hergestellt, die Proben 6 und 7 umfassten, zerhackte Faser-GMT-Verbundstoffe, die als Vergleichsproben zum Vergleich gegenüber Proben 8 und 9, talkgefüllten zerhackten Faser-GMT-Verbundstoffen, dienten.
Beim Testen der Probe 9 auf Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Stegfestigkeit, Druckfestigkeit und Aufprall zeigte diese in allen Bereichen (siehe Tabelle 4), mit Ausnahme der Druckfestigkeit, Verbesserungen. Vollständig unerwartet war die Beibehaltung oder die wesentliche Erhöhung der Leistung des gefüllten zerhackten Faserverbundstoffs, Probe 9, beim Testen auf Zugfestigkeit, Stegfestigkeit und Aufprall. Die Probe 8 zeigt eine wesentliche Verbesserung bei Dynatup-Aufprallfestigkeit, einem etwa 40 %igen Anstieg, und Zugfestigkeit, einem etwa 23 %igen Anstieg, gegenüber der Probe 6, die keinen Füllstoff umfasst, jedoch einen größeren Fasergehalt besitzt. Zusätzlich zeigt die Probe 9, die etwa die gleiche Konzentration an Füllstoff umfasst, jedoch auch einen höheren Glasfasergehalt aufweist, eine wesentliche Verbesserung bei Dynatup-Aufprallfestigkeit, einen etwa 18 %igen Anstieg, und Zugfestigkeit, einen etwa 47 %igen Anstieg, gegenüber der Probe 6. TABELLE 4

¹ 1·Foot-Pound/Zoll = 53,74 N = 53,74 kg·m/s²
² 1·KSI = 703,1·kg/m²
³ 1·Foot-Pound = 1,356 Nm = 0,1383 kgm
⁴ 1·Unze = 28,35 g (Gramm)

Zusammenfassung des Erreichens der Aufgaben der Erfindung
Aus dem Vorangegangenen ist ohne Weiteres ersichtlich, dass ich ein gefülltes Verbundmaterial erfunden habe, das wesentlich reduzierte Gesamtkosten aufweist, während eine Aufprallfestigkeit und eine Zugfestigkeit bereitgestellt werden, die größer sind als bei nichtgefüllten Verbundmaterialien oder denselben ähneln. Die vorliegende Erfindung schafft ein gefülltes Verbundmaterial, das eine durchgehende zufällige Glasmatte aufweist, das eine Aufprall- und eine Zugfestigkeit aufweist, die größer als oder gleich wie bei ähnlichen nichtgefüllten Verbundmaterialien sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein gefülltes Verbundmaterial bereit, das zerhackte Glasfasern aufweist, das eine Aufprall- und eine Zugfestigkeit aufweist, das größer als oder gleich wie bei ähnlichen nichtgefüllten Verbundmaterialien sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein gefülltes Verbundmaterial bereit, das eine Glasfaserverstärkung aufweist, das wärmeformbar und prägbar ist. Die vorliegende Erfindung schafft einen GMT-Verbundstoff, der eine höhere Stegfestigkeit aufweist als nichtmineralgefüllte GMT-Materialien. Die vorliegende Erfindung stellt einen GMT-Verbundstoff bereit, der größere Langzeitwärmealterung- (LTHA-) Eigenschaften aufweist als nichtmineralgefüllte GMT-Materialien. Die vorliegende Erfindung stellt ein gefülltes Verbundmaterial bereit, das zerhackte Glasfasern aufweist, das ein Schrumpfen und eine Verformung eines Produkts minimiert, das aus dem gefüllten Verbundmaterial gebildet ist, und das eine Aufprall- und eine Zugfestigkeit aufweist, die größer als oder gleich wie bei ähnlichen nichtgefüllten Verbundmaterialien sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein billiges thermoplastisches Glasmattenverbundmaterial bereit, das verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist. Die vorliegende Erfindung schafft ein gefülltes thermoplastisches Glasmattenverbundmaterial, das für Stoßfängerbalken in Automobilen verwendet werden kann.
Es wird darauf verwiesen, dass die vorangehende Beschreibung und spezifische Ausführungsbeispiele lediglich darstellend für den besten Modus der Erfindung und die Prinzipien derselben sind, und dass verschiedene Modifizierungen und Hinzufügungen an der Vorrichtung durch Fachleute auf diesem Gebiet durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen, die deshalb als nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche eingeschränkt verstanden werden soll.

Claims

Ein gefülltes thermoplastisches Glasmatten- (GMT-) Verbundmaterial mit folgenden Merkmalen: einem Polyolefin; Glasfasern, die eine Glasfaserlänge von zumindest etwa 6,4 mm (1/4 Zoll) aufweisen; und einem Mineralfüllstoff.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem das Polyolefin aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polypropylen, Polyethylen und Polymethylpenten besteht, oder bei dem das Polyolefin ein Kristallin-Polyolefin ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus ataktischen Polyolefinen, isotaktischen Polyolefinen und syntaktischen Polyolefinen besteht.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem die Glasfasern zerhackte Glasfasern sind, die eine Länge aufweisen, die größer als etwa 12,7 mm (1/2 Zoll) ist.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem die Glasfasern eine durchgehende unidirektionale Glasmatte sind oder bei dem die Glasfasern eine durchgehende zufällige Glasmatte sind.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem die Glasfasern von 10 bis 60 Gewichtsprozent des Verbundmaterials sind.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mineralfüllstoffen besteht, wobei der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fiberglas, Kaolin, Mica, Wollastonit, Kalziumkarbonat, Talk, ausgefälltem Kalziumkarbonat, Bariumsulfat, MoS₂, Ferrit, Eisenoxid, Hohlkugeln, Aluminiumtrihydrat (ATH), Mg(OH)₂, TiO₂, ZnO, Baryten, Satinweiß, Eisenoxid, Metallpulver, Oxiden, Chromaten, Cadmium, geräuchertem Siliziumdioxid, Glaskugeln und basischem Bleisilikat besteht.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem der Füllstoff eine Teilchengröße von 2 μm bis 500 μm aufweist.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, das ferner ein Leimmittel aufweist.
Ein gefülltes GMT-Verbundmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem der Füllstoff von 5 bis 50 Gewichtsprozent des gefüllten GMT-Verbundmaterials ist.
Eine gefüllte Einzelmattenharzlage, die thermoformbar und prägbar ist, mit folgenden Merkmalen: einem Polyolefin; einer Glasfasermatte, die Glasfasern aufweist, die mit einem Leimmittel behandelt sind; und einem Mineralfüllstoff.
Eine gefüllte Einzelmattenharzlage gemäß Anspruch 10, bei der das Polyolefin aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polypropylen, Polyethylen und Polymethylpenten besteht, oder bei der das Polyolefin ein Kristallin-Polyolefin ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus ataktischen Polyolefinen, isotaktischen Polyolefinen und syntaktischen Polyolefinen besteht.
Eine gefüllte Einzelmattenharzlage gemäß Anspruch 10, bei der der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mineralfüllstoffen besteht, wobei der Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fiberglas, Kaolin, Wollastonit, ausgefälltem Kalziumkarbonat, MoS₂, Ferrit, Eisenoxid, Hohlkugeln, Aluminiumtrihydrat (ATH), Mg(OH)₂, TiO₂, ZnO, Baryten, Satinweiß, Eisenoxid, Metallpulver, Oxiden, Chromaten, Cadmium, geräuchertem Siliziumdioxid, Glaskugeln und basischem Bleisilikat besteht.
Eine gefüllte Einzelmattenharzlage gemäß Anspruch 10, bei der die Glasfasermatte aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer gewebten Glasfasermatte und einer nichtgewebten Glasfasermatte besteht.
Eine gefüllte Einzelmattenharzlage gemäß Anspruch 10, bei der der Füllstoff eine Teilchengröße von 2 μm bis 500 μm aufweist.
Eine gefüllte Einzelmattenharzlage gemäß Anspruch 10, bei der die Glasfasermatte eine durchgehende unidirektionale Glasmatte ist oder bei der die Glasfasermatte eine durchgehende zufällige Glasmatte ist.
Eine gefüllte Einzelmattenharzlage gemäß Anspruch 10, bei der der Füllstoffgehalt von 15 bis 50 Gewichtsprozent des Verbundmaterials beträgt.
Ein Stoßfängerbalken, der aus einem gefüllten GMT-Verbundmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 geformt ist, wobei der Stoßfängerbalken folgende Merkmale aufweist: ein Polyolefin; Glasfasern, die eine Glasfaserlänge von zumindest etwa 6,4 mm (1/4 Zoll) aufweisen; und einen Mineralfüllstoff.