EP1372940A1 - Verfahren zur herstellung eines dicken, thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten halbzeugs - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines dicken, thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten halbzeugs

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EP1372940A1
EP1372940A1 EP02727385A EP02727385A EP1372940A1 EP 1372940 A1 EP1372940 A1 EP 1372940A1 EP 02727385 A EP02727385 A EP 02727385A EP 02727385 A EP02727385 A EP 02727385A EP 1372940 A1 EP1372940 A1 EP 1372940A1
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semi
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a thick, thermoplastically deformable, fiber-reinforced semi-finished product from a mixed fleece, which contains thermoplastic fibers and reinforcing fibers.
  • Thermoplastic deformable semi-finished products which contain reinforcing fibers, in particular glass mats, are increasingly used for the production of molded parts, in particular for motor vehicle parts.
  • Such "plastic sheets” are characterized by high toughness and strength.
  • These GMT semifinished products are produced on an industrial scale by bringing together continuous glass mats and thermoplastic melt webs on a double belt press.
  • this method of operation requires a high amount of energy because the viscous melt flows into the This means that fiber contents of more than 50% by weight can hardly be achieved. Since the glass mats are generally made up of fiber bundles, the impregnation is never completely and evenly, so that microscopically inhomogeneous areas occur, which leads to high standard deviations in mechanical properties.
  • Another, technically applied process is based on paper production.
  • Thermoplastic fibers and reinforcing fibers are mixed together as an aqueous slurry, the slurry is squeezed out and the mixed fleece obtained is dried and hot-pressed. Large amounts of water have to be handled here and the waste water contaminated with auxiliary agents has to be cleaned.
  • DE-A 36 14 533 describes a process for the production of moldings from thermoplastic materials which contain a reinforcing insert, described.
  • a mixed nonwoven made of thermoplastic fibers and reinforcing fibers is manufactured according to the carding or airlay process and consolidated by needles, for example. Blanks from this mixed fleece are heated and pressed directly into three-dimensional shaped bodies without prior consolidation. Complete impregnation is hardly possible, especially in the case of components with a complicated shape, so that the mechanical properties of the molded parts leave something to be desired.
  • EP-A 555 345 describes an air-permeable fiber structure made from a wet or dry mixed fleece made of thermoplastic fibers and reinforcing fibers. This non-needled mixed fleece is partially consolidated by carefully melting the thermoplastic fibers by connecting them to the reinforcing fibers at the crossing points. A continuous production of the fiber structure is not described. The process also has the disadvantage that the non-wetted reinforcing fibers can corrode during storage, and complete soaking is also difficult here in the production of molded articles.
  • German patent application P 101 05 813.6 describes a process for producing a thermoplastic, fiber-reinforced semi-finished product with a thickness of 0.2 to 3.0 mm, in which a mixed nonwoven made of thermoplastic fibers and 30 to 300 mm long reinforcing fibers is needled, heated and is pressed on a calender or in a smoothing unit. If you want to press finished parts with a complicated three-dimensional shape from this relatively thin semi-finished product, especially those that have filigree ribs, you will find that the ribs are not satisfactorily filled with fibers. With a thicker semi-finished product, one should assume that the flowability is improved.
  • the invention was based on the object of developing a continuous process for producing a relatively thick semifinished product from a thermoplastic and reinforcing fibers which can be formed into finished parts which have excellent, easily reproducible mechanical properties in all directions. This object is achieved by the method according to the invention. This includes the following process steps:
  • thermoplastic fibers and individual, non-bonded synthetic reinforcing fibers are dry mixed together using the carding or airlay process.
  • All spinnable thermoplastic materials are suitable as thermoplastics, for example polyolefins, such as polyethylene and polypropylene, polyamides, linear polyesters, thermoplastic polyurethanes, polycarbonate, polyacetals, and corresponding copolymers and mixtures, and also high-temperature-resistant polymers, such as polyarylates, polysulfones, polyetherimides, polyimides and polyether ketones. Polypropylene is particularly preferred.
  • the corresponding fibers can be produced by spinning the thermoplastic melts or solutions.
  • the thermoplastic fibers generally have an average length of 10 to 200 mm.
  • the melt index of the thermoplastic should be relatively high.
  • the MFI 230 ° C, 2.16 kp
  • the MFI greater than 300 g / 10 min according to DIN 53735 and preferably between 400 and 1000 g / 10 min.
  • Preferred reinforcing fibers are glass fibers; in addition, carbon fibers and aramid fibers can also be used in principle.
  • the reinforcing fibers used have an average length of 20 to 80 mm, preferably of 25 to 50 mm. Such short fibers also flow into thin areas of the tool during pressing. In order for them to be readily miscible with the thermoplastic fibers, they must be present as individual, unbound fibers, i.e. they must not be bound with polymeric binders.
  • thermoplastic fibers and reinforcing fibers are dry mixed in a weight ratio of 10:90 to 80:20, preferably 25:75 to 55:45 by the carding or airlay method, as are known from textile technology. This creates a mixed fleece that is present as an endless web.
  • the mixed fleece obtained is consolidated by needling. This can be done on standard needle chairs with felting needles. Needling breaks the reinforcing fibers somewhat, so that the average fiber length is reduced; on the other hand, individual fibers are pulled through the fleece so that they are aligned perpendicular to the main surface and can have a reinforcing effect in this direction in the finished part. In addition, these vertically directed fibers cause the semi-finished product to expand in the z direction when heated. This so-called "loft" can be used for the production of lightweight components by partial consolidation. Finally, the mixed fleece is consolidated by the needling according to the invention, so that it can be handled without problems in the subsequent process steps. In a special embodiment of the invention, the needled mixed nonwoven is stretched in one direction. As a result, the reinforcing fibers in the finished part are aligned in this direction and thus bring about a particularly high mechanical level in this direction.
  • the solidified mixed fleece is heated in the forced air oven or by IR radiation to temperatures above the softening temperature of the thermoplastic.
  • the temperature should preferably be 20 to 60 ° C above the softening temperature; in the case of polypropylene fibers, it is preferably between 180 and 220 ° C., in particular between 190 and 210 ° C.
  • a laminating device is a double belt press, which - in contrast to conventional GMT double belt presses - does not have steel belts, but rather belts made of polymer, preferably Teflon-coated glass or aramid fabric, and where work is carried out with significantly lower pressures between 1 and 10 bar.
  • the resulting flat semifinished product according to the invention has a thickness of more than 3.0 mm, preferably from 3.2 to 10.0 mm.
  • the average length of the reinforcing fibers in the semifinished product is 10 to 60 mm, preferably the fibers are on average less than 50 mm long.
  • functional layers are brought to the heated mixed fleece on one or both sides and pressed together.
  • the functional layers can also only be applied during the production of the molded part.
  • the semi-finished product produced according to the invention can be cut into customer-specific blanks and stacked on pallets and shipped. It can then be thermoformed into three-dimensional finished parts. For this purpose, corresponding blanks are heated to temperatures above the softening temperature of the thermoplastic and pressed in conventional two-part molds or deformed by deep drawing.
  • the semi-finished product is relatively thick and contains short fibers, these also flow into fine areas of the tool during pressing, so that finished parts with a complicated spatial shape and in particular with filigree ribs can be produced.
  • the finished parts can be used in the transport sector as automotive, railway and aircraft interior parts, but also as body parts, as large-area panels and as furniture parts.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von thermoplastisch verformbarem, dickem Halbzeug aus einem thermoplastischen Kunststoff und Verstärkungsfasern. Es umfaßt folgende Schritte: A) Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern werden trocken zu einem Mischvlies vermischt, B) das Mischvlies wird durch Nadeln verfestigt, C) das verfestigte Mischvlies wird erwärmt und D) zum Halbzeug verpreßt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines dicken, thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dicken, thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs aus einem Mischvlies, welches Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern enthält.
Thermoplastisch verformbare Halbzeuge, welche Verstärkungsfasern, insbesondere Glasmatten enthalten, werden in zunehmendem Maße zur Herstellung von Formteilen, insbesondere für Kraftfahrzeugteile eingesetzt. Derartige „Kunststoffbleche" zeichnen sich durch hohe Zähigkeit und Festigkeit aus. Diese GMT-Halbzeuge werden in großtechnischem Maßstab hergestellt durch Zusammenführen von Endlos-Glasmatten und Thermoplast-Schmelzebahnen auf einer Doppelbandpresse. Diese Arbeitsweise erfordert jedoch einen hohen Energieaufwand, da die zähflüssige Schmelze in die Matte eingepreßt werden muß. Fasergehalte von mehr als 50 Gew.-% sind so kaum erreichbar. Da die Glasmatten im allgemeinen aus Faserbündeln aufgebaut sind, ist die Tränkung nie ganz vollständig und gleichmäßig, so daß mikroskopisch inhomogene Bereiche auftreten, was zu hohen Standardabweichungen in den mechanischen Eigenschaften führt.
Ein anderes, technisch angewandtes Verfahren lehnt sich an die Papierherstellung an. Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern werden als wäßrige Aufschläm- mung miteinander vermischt, die Aufschlämmung wird abgepreßt und das erhaltene Mischvlies wird getrocknet und heiß verpreßt. Hier muß mit großen Mengen Wasser hantiert werden und das mit Hilfsmitteln verunreinigte Abwasser muß gereinigt werden.
In der DE-A 36 14 533 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen, die eine Verstärkungseinlage enthalten, beschrieben. Dabei wird in Anlehnung an die Textilfasertechnologie ein Mischvlies aus Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern nach dem Krempel- oder Airlay- Verfahren hergestellt und z.B. durch Nadeln verfestigt. Zuschnitte aus diesem Mischvlies werden erwärmt und direkt, ohne vorheriges Konsolidieren, zu dreidimensionalen Formkörpern verpreßt. Eine vollständige Durchtränkung ist hierbei, vor allem bei kompliziert geformten Bauteilen, jedoch kaum möglich, so daß die mechanischen Eigenschaften der Formteile zu wünschen übrig lassen.
Die Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs mit einer Dicke von 1,25 bis 2,5 mm ist in US-A 4,948,661 beschrieben. Zunächst wird in einem Trockenverfahren ein Mischvlies aus Thermoplastfasern und Verst rkungsfasern hergestellt. Dieses Mischvlies wird jedoch nicht vernadelt, sondern wellenförmig zusammengefaltet und direkt durch Heißverpressen zum Halbzeug konsolidiert. Infolge der fehlenden Verfestigung des Mischvlieses ist das Konsolidieren in der Praxis problemlos nur diskontinuierlich möglich. Ein kontinuierliches Konsolidieren auf einer Doppelbandpresse wird zwar auch erwähnt, dabei würden aber - wenn es überhaupt praktisch durchführbar ist - die oben beschriebenen Nachteile auftreten.
Schließlich beschreibt die EP-A 555 345 ein luftdurchlässiges Fasergebilde aus einem naß oder trocken hergestellten Mischvlies aus Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern. Dieses nicht vernadelte Mischvlies wird durch vorsichtiges Anschmelzen der Thermoplastfasern teilverfestigt, indem diese sich an den Kreuzungsstellen mit den Verstärkungsfasern verbinden. Eine kontinuierliche Herstellung des Fasergebildes ist nicht beschrieben. Das Verfahren hat darüber hinaus den Nachteil, daß die nicht benetzten Verstärkungsfasern bei der Lagerung korrodieren können, außerdem ist auch hier bei der Formkörperherstellung eine vollständige Durchtränkung schwierig. In der deutschen Patentanmeldung P 101 05 813.6 ist ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs mit einer Dicke von 0,2 bis 3,0 mm beschrieben, bei dem ein Mischvlies aus Thermoplastfasern und 30 bis 300 mm langen Verstärkungsfasern vernadelt, erwärmt und auf einem Kalander oder in einem Glättwerk verpreßt wird. Wenn man aus diesem relativ dünnen Halbzeug Fertigteile mit komplizierter Raumform pressen will, insbesondere solche, die filigrane Rippen aufweisen, dann stellt man fest, daß die Rippen nicht zufriedenstellend mit Fasern gefüllt sind. Bei einem dickeren Halbzeug sollte man annehmen, daß die Fließfähigkeit verbessert ist.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines relativ dicken Halbzeugs aus einem thermoplastischen Kunststoff und Verstärkungsfasern zu entwickeln, das zu Fertigteilen umformbar ist, die in allen Richtungen hervorragende, gut reproduzierbare mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Dieses umfaßt folgende Verfahrensschritte:
A. Thermoplastfasern und individuelle, nicht gebundene synthetische Verstärkungsfasern werden nach dem Krempel- oder Airlay-Verfahren trocken miteinander vermischt. Als Thermoplasten kommen alle verspinnbare thermoplastische Kunststoffe in Frage, z.B. Polyolefine, wie Polyethylen und Polypropylen, Polyamide, lineare Polyester, thermoplastische Polyurethane, Polycarbonat, Polyacetale, sowie entsprechende Copolymere und Mischungen, ferner hochtemperaturbeständige Polymere, wie Polyarylate, Poly- sulfone, Polyetherimide, Polyimide und Polyetherketone. Besonders bevorzugt ist Polypropylen. Die entsprechenden Fasern lassen sich durch Verspinnen der Thermoplastschmelzen oder -lösungen herstellen. Die Thermoplastfasern weisen im allgemeinen eine mittlere Länge von 10 bis 200 mm auf. Damit das Halbzeug gut fließfähig ist, sollte der Schmelzindex des Thermoplasten relativ hoch sein. Im Fall von Polypropylen sollte der MFI (230°C, 2.16 kp) nach DIN 53735 größer als 300 g/10 min sein und vorzugsweise zwischen 400 und 1000 g/10min liegen.
Bevorzugte Verstärkungsfasern sind Glasfasern, daneben können grundsätzlich auch Kohlenstoffasem und Aramidfasem eingesetzt werden. Die eingesetzten Verstärkungsfasern weisen eine mittlere Länge von 20 bis 80 mm, vorzugsweise von 25 bis 50 mm auf. Derart kurze Fasern fließen beim Verpressen auch in dünne Bereiche des Werkzeugs. Damit sie gut mit den Thermoplastfasern mischbar sind, müssen sie als individuelle, nicht gebundene Fasern vorliegen, d.h. sie dürfen nicht mit polymeren Bindemitteln gebunden sein.
Die Thermoplastfasern und Verstärkungsfasern werden im Gewichtsverhältnis 10 : 90 bis 80 : 20, vorzugsweise 25 : 75 bis 55 : 45 nach dem Krempeloder Airlay- Verfahren, wie sie aus der Textiltechnologie bekannt sind, trocken miteinander vermischt. Dabei entsteht ein als endlose Bahn vorliegendes Mischvlies.
Das erhaltene Mischvlies wird durch Nadeln verfestigt. Dies kann auf üblichen Nadelstühlen mit Filznadeln geschehen. Durch das Nadeln werden einerseits die Verstärkungsfasern etwas gebrochen, so daß die mittlere Faserlänge reduziert wird; andererseits werden einzelne Fasern durch das Vlies hindurchgezogen, so daß sie senkrecht zur Hauptfläche ausgerichtet werden und im Fertigteil in dieser Richtung verstärkend wirken können. Außerdem bewirken diese senkrecht gerichteten Fasern, daß das Halbzeug beim Aufheizen in z-Richtung expandiert. Dieser sogenannte „Loft" kann zur Herstellung von Leichtbauteilen durch Teilkonsolidieren ausgenützt werden. Schließlich wird durch das erfindungsgemäße Nadeln das Mischvlies verfestigt, so daß es in den nachfolgenden Verfahrensschritten problemlos handhabbar ist. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird das genadelte Mischvlies in einer Richtung verstreckt. Dadurch sind auch im Fertigteil die Verstärkungsfasern in dieser Richtung ausgerichtet und bewirken so ein besonders hohes mechanisches Niveau in dieser Richtung.
C. Das verfestigte Mischvlies wird im Umluftofen oder durch IR-Bestrahlung auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt. Vorzugsweise sollte die Temperatur 20 bis 60 °C oberhalb der Erweichungstemperatur liegen; bei Polypropylenfasern liegt sie bevorzugt zwischen 180 und 220 °C, insbesondere zwischen 190 und 210 °C.
D. Unmittelbar anschließend wird das erwärmte Mischvlies in einer Kaschiereinrichtung, einem Glättwerk oder einem Kalander verpreßt. Eine Kaschiereinrichtung ist eine Doppelbandpresse, die aber - im Gegensatz zu üblichen GMT-Doppelbandpressen - keine Stahlbänder aufweist, sondern Bänder aus polymer-, vorzugsweise teflonbeschichtetem Glas- oder Aramidgewebe, und wo mit wesentlich niedrigeren Drücken zwischen 1 und 10 bar gearbeitet wird. Das entstandene flächige Halbzeug weist erfindungsgemäß eine Dicke von mehr als 3,0 mm, vorzugsweise von 3,2 bis 10,0 mm auf. Die mittlere Länge der Verstärkungsfasern im Halbzeug beträgt 10 bis 60 mm, vorzugsweise sind die Fasern im Mittel weniger als 50 mm lang.
E. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden beim Verpressen ein- oder beidseitig Funktionsschichten an das erwärmte Mischvlies herangeführt und mitverpreßt. Dies könne Dekorschichten, dünne Faservliese, Thermoplastfolien oder Stoffbahnen sein. Grundsätzlich können die Funktionsschichten auch erst bei der Formteilherstellung aufgebracht werden. Das erfindungsgemäß hergestellte Halbzeug kann in kundenspezifische Zuschnitte vereinzelt und auf Paletten gestapelt und versandt werden. Es kann dann zu dreidimensionalen Fertigteilen thermoplastisch verformt werden. Dazu werden entsprechende Zuschnitte auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt und in üblichen zweiteiligen Formen verpreßt oder durch Tiefziehen verformt. Da das Halbzeug verhältnismäßig dick ist und kurze Fasern enthält, fließen diese beim Verpressen auch in feine Bereiche des Werkzeugs, so daß Fertigteile mit komplizierter Raumform und insbesondere mit filigranen Rippen hergestellt werden können. Die Fertigteile sind im Transportsektor als Automobil-, Eisenbahn- und Flugzeuginnenteile, aber auch als Karosserieteile, als großflächige Paneele sowie als Möbelteile verwendbar.

Claims

Patentansprüche
1. Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines thermoplastisch verformbaren Halbzeugs einer Dicke von mehr als 3,0 mm aus 10 bis 80 Gew.-% eines thermoplastischen Kunststoffs und 90 bis 20 Gew.-% Verstärkungsfasern durch folgende Verfahrensschritte:
A. Thermoplastfasern und individuelle, nicht gebundene synthetische Verstärkungsfasern einer Länge von 20 bis 80 mm werden nach dem Airlay- oder Krempelverfahren trocken miteinander zu einer endlosen Bahn vermischt,
B. das erhaltene Mischvlies wird durch Nadeln verfestigt,
C. das verfestigte Mischvlies wird in einem Umluftofen oder durch Infrarot- Bestrahlung auf Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt,
D. anschließend wird das erwärmte Mischvlies auf einer Kaschiereinrichtung, einem Glättwerk oder einem Kalander zum Halbzeug verpreßt,
E. gegebenenfalls werden gleichzeitig oder anschließend Funktionsschichten auf das Halbzeug aufgepreßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug eine Dicke von 3,2 bis 10,0 mm aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Verstärkungsfasern eine mittlere Länge von 25 bis 60 mm aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der thermoplastische Kunststoff Polypropylen mit einer Schmelzviskosität MFI (230°C, 2.16 kp) nach DIN 53735 von größer als 300 g/10min ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfasern Glasfasern sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das genadelte Mischvlies in einer Richtung verstreckt wird.
7. Verwendung des nach Anspruch 1 hergestellten Halbzeugs zur Herstellung von dreidimensionalen Fertigteilen durch Heißumformen in einer Presse.
8. Verwendung des nach Anspruch 6 hergestellten Halbzeugs zur Herstellung von dreidimensionalen Fertigteilen, die in einer Vorzugsrichtung ein besonders hohes mechanisches Niveau aufweisen.
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