EP3285999A1 - Verwendung eines faserverbund-werkstoffs mit sandwich-struktur und schaumstoff-komponente - Google Patents

Verwendung eines faserverbund-werkstoffs mit sandwich-struktur und schaumstoff-komponente

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Publication number
EP3285999A1
EP3285999A1 EP16720075.7A EP16720075A EP3285999A1 EP 3285999 A1 EP3285999 A1 EP 3285999A1 EP 16720075 A EP16720075 A EP 16720075A EP 3285999 A1 EP3285999 A1 EP 3285999A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
thermoplastic
fiber composite
composite material
sandwich structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16720075.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Niessner
Philipp Deitmerg
Eike Jahnke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ineos Styrolution Group GmbH
Original Assignee
Ineos Styrolution Group GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ineos Styrolution Group GmbH filed Critical Ineos Styrolution Group GmbH
Publication of EP3285999A1 publication Critical patent/EP3285999A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C08J2325/02—Homopolymers or copolymers of hydrocarbons
    • C08J2325/04—Homopolymers or copolymers of styrene
    • C08J2325/08—Copolymers of styrene
    • C08J2325/12—Copolymers of styrene with unsaturated nitriles

Definitions

  • Glass fibers are often treated in the prior art with a sizing, which protect each other especially the fibers. Mutual damage due to abrasion should be prevented. When mutual mechanical action should not come to the transverse fragmentation (fracture).
  • Fats, oils and polyalkyleneamines in an amount of 0.01 to 1 wt .-%, based on the total size, are mentioned.
  • a wetting agent causes a lowering of the surface tension and an improved wetting of the filaments with the size.
  • Silanes which are added to an aqueous sizing are usually hydrolyzed to silanols. These silanols can then react with reactive (glass) fiber surfaces and thus form an adhesive layer (with a thickness of about 3 nm).
  • low molecular weight, functional agents can react with Siianoi phenomenon on the glass surface, which then further terreagieren low molecular weight agents (for example, in epoxy resins), thereby ensuring a chemical bonding of the glass fiber to the polymer matrix.
  • such a preparation is time-consuming and lasts until complete curing of the polymers (for example the abovementioned epoxy resins) approximately between 30 minutes to more than one hour.
  • the invention particularly relates to the use of a fiber composite material W having a sandwich structure as described above, constructed (or consisting of): A) 10 to 70 wt .-% of at least one thermoplastic material layer w, containing
  • the invention relates to the use of a composite sandwich material structure as described above, wherein the reinforcing fiber B is used in the form of a mat, a fabric, a mat, a nonwoven or a knitted fabric.
  • thermoplastic molding compound A as matrix
  • thermoplastic layer T which is different from the layer w, and / or at least one foam layer S, wherein said further layer T and / or S is permanently connected to the material layer w.
  • this is preferably a fiber composite material W having a sandwich structure made according to the use described herein and / or having one or more other features as described herein. The definitions and preferred embodiments as defined with respect to use apply equally to the fiber composite material W as such.
  • the material layer w contains at least 20% by weight, generally at least 30% by weight, based on the total weight of the material layer w, of the thermoplastic matrix M or of the thermoplastic molding compound A.
  • the thermoplastic matrix ( M), which contains (or consists of) the molding compound A, in the material layer w is preferably from 30 to 95% by weight, particularly preferably from 35 to 90% by weight, often from 35 to 70% by weight .-% and in particular from 38 to 70 wt .-%, based on the material layer w, present.
  • the thermoplastic matrix M preferably corresponds to the thermoplastic molding compound A.
  • Such a styrene copolymer when used as the polymer component (A-a), may be about a M-1-containing styrene copolymer (exemplified by a maleic anhydride-containing styrene copolymer).
  • the polystyrene in the case of using maleic anhydride (MA) as the monomer Al, the polystyrene can therefore be a polystyrene-maleic anhydride copolymer (S-MA), the copolymer A-1 is exemplified by styrene-acrylonitrile-maleic anhydride copolymer (SANMA), Acrylonitrile-butadiene-styrene-maleic anhydride copolymer (ABS-MA), acrylic ester-styrene-acrylonitrile-maleic anhydride copolymer (ASA-MA).
  • SANMA styrene-acrylonitrile-maleic anhydride copolymer
  • ABS-MA Acrylonitrile-butadiene-styrene-maleic anhydride copolymer
  • ASA-MA acrylic ester-styrene-acrylonitrile-maleic anhydride copolymer
  • Blends of the abovementioned copolymers (one or more polymer components (Aa) and optionally (Ab)) with polycarbonate or partially crystalline polymers such as polyamide are also suitable, provided that the proportion of partially crystalline mixed components in component A is less than 50% by weight.
  • SAN (M-1) copolymers (with modification by monomers A-1) as component of the thermoplastic molding composition A (optionally also as sole polymeric constituent).
  • component A of the invention styrene / maleic anhydride copolymer, methyl methacrylate / maleic anhydride copolymers or styrene / maleic anhydride / N-phenylmaleimide copolymer.
  • Mixtures of modified styrene-acrylonitrile copolymer with a-methyl-styrene-acrylonitrile copolymer may also be mentioned.
  • the matrix M can consist of at least two mutually different thermoplastic molding compositions A.
  • these various molding compound types may have a different melt flow index (MFI), and / or other co-monomers or additives.
  • thermoplastic molding compositions A preferably have a molecular weight Mw of from 60,000 to 400,000 g / mol, particularly preferably from 80,000 to 350,000 g / mol, where Mw can be determined by light scattering in tetrahydrofuran (GPC with UV detector).
  • Mw can be determined by light scattering in tetrahydrofuran (GPC with UV detector).
  • the molecular weight Mw of the thermoplastic molding compositions A can vary within a range of +/- 20%.
  • the thermoplastic molding composition A contains a modified by a chemically reactive functionality styrene copolymer, which, except for the addition of the monomers Al, essentially composed of the same monomers as the "normal styrene copolymer", wherein the monomer content +/- 5 %, the molecular weight +/- 20% and the melt flow index (determined at a temperature of 220 ° C. and a loading of 10 kg according to ISO Method 1 133) +/- 20% ISO 1 133-1: 2012-03.
  • a chemically reactive functionality styrene copolymer which, except for the addition of the monomers Al, essentially composed of the same monomers as the "normal styrene copolymer", wherein the monomer content +/- 5 %, the molecular weight +/- 20% and the melt flow index (determined at a temperature of 220 ° C. and a loading of 10 kg according to ISO Method 1 133) +/- 20% ISO 1 133-1: 2012-03.
  • the viscosity number is 55 to 75 ml / g, preferably 60 to 70 ml / g, in particular 61 to 67 ml / g.
  • the viscosity number is 60 to 90 ml / g, preferably 65 to 85 ml / g, in particular 75 to 85 ml / g.
  • the fabrics F pass through more than 50%, preferably at least 70%, in particular at least 90%, of the surface of the fiber composite material W.
  • the surface is the area of maximum expansion in two of the three spatial directions.
  • the fiber composite material W is preferably a (largely) flat fiber composite material W (therefore also the molding T preferably a flat molding T).
  • the reinforcing fibers B are embedded in layers in the material layer w.
  • the reinforcing fibers B are present as a flat structure F.
  • thermoplastic material layer w 10 to 70 wt .-% thermoplastic material layer w of a thickness of ⁇ 100 mm, containing. a) from 30 to 95% by weight of a thermoplastic, amorphous molding composition A, based on a styrene copolymer modified by a chemically reactive functionality, wherein the chemically reactive functionality of the thermoplastic molding composition A is preferably based on, 1 to 10% by weight. %, based on the amount of component A, of monomers selected from the group consisting of maleic anhydride, N-phenylmaleimide and glycidyl (meth) acrylate.
  • thermoplastic molding composition A is used in the production of the material
  • the method of making a sandwich structure comprises the steps of: (i) providing:
  • thermoplastic molding compound A melting the thermoplastic molding compound A and contacting it with at least one reinforcing fiber B from step (i);
  • Step (ii) of the process melting the thermoplastic molding composition A and contacting this melt with the reinforcing fibers B, may be accomplished in any suitable manner.
  • the matrix M in be transferred to a flowable state and the reinforcing fibers B are wetted to form a boundary layer.
  • the process in particular the steps (ii) and (iii), can in principle be carried out at any pressure (preferably atmospheric pressure or overpressure), with and without pressing of the components.
  • any pressure preferably atmospheric pressure or overpressure
  • the properties of the material layer w can be improved.
  • the steps (ii) and / or (iii) at a pressure of 5-100 bar and a pressing time of 10-60 s, preferably at a compression pressure of 10-30 bar and a pressing time of 15-40 s performed.
  • styrene copolymers provided with at least one chemically reactive functionality (A1), ie amorphous thermoplastic matrices, are used as thermoplastic molding material A.
  • the method can also include the production of a molded part T.
  • the method comprises, as a further step (iv), a three-dimensional shaping to form a molding T.
  • the process comprises as a further step (v) the curing of the product obtained from one of the steps (iii) or (iv).
  • the process can be carried out continuously, semicontinuously or discontinuously. According to a preferred embodiment, the process is carried out as a continuous process, in particular as a continuous process for producing smooth or three-dimensionally embossed films. Alternatively, it is also possible to produce shaped parts T semi-discontinuously or discontinuously.
  • the material layer w preferably has a thickness of ⁇ 100 mm, in particular of ⁇ 20 mm, preferably of ⁇ 10 mm, especially of ⁇ 5 mm.
  • the material layers w have an amorphous, thermoplastic matrix M. These can be applied by injection molding with a ribbing, laminated on a foamed thermoplastic core or on a honeycomb core as cover layers (welded). The improvement of the component stiffness by a ribbing (formation of a ribbed structure) is justified by the increase of the area moment of inertia. In general, optimal rib dimensions include production, aesthetics and design considerations.
  • the reinforcing fibers B may be layer-wise impregnated and consolidated in layers of (or as sheets of F) reinforcing fibers B in a single processing step with the matrix M containing a thermoplastic molding material A.
  • the production of the material layer w can be carried out in this way in a particularly efficient manner.
  • SAN styrene copolymers as amorphous thermoplastics
  • a preferred way to achieve sufficient rigidity for, for example, covering is the injection molding or pressing back of a ribbing in the injection molding or in the pressing process.
  • material layers w in sandwich composite or by means of ribbing can reduce costs and at the same time reduce the weight, which on the one hand can facilitate the assembly of the component and on the other hand of the device.
  • organo sheets W with sandwich structures as a replacement of metals, the cost and weight can be reduced, since the density of the contained organo sheets W sandwich structure is much lower and the lack of rigidity, compared to steel, by a Ribbing or a sandwich construction can be compensated.
  • the ribbing preferably consists of an injection molding material, which ensures a cohesive connection to the material layer w and thus gives rise to a high moment of resistance.
  • the foam core can be glued to the cover layers or it is caused by an additional thermoplastic layer T on the material layer w a claw in the foam structure.
  • the material layers w according to the invention are used in conjunction with further layers.
  • w material layer according to the invention
  • S foam layer
  • T thermoplastic layer
  • thermoplastic layer T may be reinforced by incorporation of short, long or continuous glass fibers or corresponding carbon or basalt fibers.
  • a further embodiment according to the invention comprises the combination of material layer w with a foam layer S, wherein the foam layer S is produced by extrusion, coextrusion, lamination or by foam injection molding.
  • the foam layer S consists of thermoplastic molding compositions which have been produced by chemical (eg sodium bicarbonate / citric acid, carbodiimide) or physical blowing agents (eg CO 2, N 2).
  • FIG. 2 shows the fiber composite material layers w, which after test no. 2 were received.
  • FIG. 2A shows the visual documentation.
  • FIG. 2B shows the microscopic view of a section through the laminar fiber composite material layers w arranged in a horizontal orientation (left: 25-fold magnification, right: 50-fold magnification), wherein the fibers clearly show extending dark layer between the light layers of thermoplastic molding material can be seen.
  • Figure 2C shows the magnification of 200 times, whereby it can be seen that the impregnation is partially not completed.
  • FIG. 6 shows the production of the fiber composite material layers w (here: glass fiber fabric) in the press inlet V25-V28. It is clearly recognizable that such a production process allows continuous production. In addition, it can be seen from the embossing of the pattern that the fiber composite material layer w can also be shaped in three dimensions.
  • Opening travel press 0.5 to 200 mm
  • the described fiber composite materials W (organic sheets) with sandwich structures containing material layer w, in particular with amorphous, thermoplastic matrix are particularly suitable for the production of molded parts. Some examples are shown below.
  • thermoplastic molding composition A (ABS prepared from: 45 wt .-% butadiene, 30 wt .-% styrene, 24 wt .-% acrylonitrile and 1 wt .-% maleic anhydride) is with 35 wt .-%, based on the material layer, a glass-based reinforcing fiber with chemically reactive functionality (silane groups) on the surface compounded [GW 123- 580K2 of PD Glasseiden GmbH]. The material layer is subsequently ribbed.
  • the material n is coextruded with an expanded polystyrene (X-PS, made of polystyrene 158 K with CO 2 / ethanol as blowing agent) on a tandem extruder with a thickness of 10 mm to obtain a sandwich structure.
  • X-PS expanded polystyrene
  • the obtained fiber composite material having a sandwich structure has a sequence of: n / X-PS / n
  • the organic sheets according to the invention with sandwich structures from Examples 1 and 2 are more robust than the corresponding organo sheets without sandwich structure m and n.
  • A2 S / AN / maleic anhydride copolymer having the composition (wt%): 74/25/1, Mw of 250,000 g / mol (measured via gel permeation chromatography on standard columns with monodisperse polystyrene calibration standards)
  • Impregnation Warp threads Central unimpregnated areas, all around slightly impregnated Impregnation Weft threads: in the middle clearly unimpregnated areas, all around slightly impregnated
  • Air inclusions little, only in roving
  • Matrix layer in middle position recognizable
  • Matrix layer in middle position not recognizable
  • Matrix layer in cover layer recognizable
  • Table 5 shows the fiber composite material layers w (or fiber composite materials W) obtained in a series of experiments. Pure SAN (A1) and an S / AN / maleic anhydride copolymer (A2) were combined and tested with a commercial scrim and fabric reinforcement in an identical process. The fiber volume content of the composites was 42%. The improved quality of the impregnation and bonding between fiber and matrix is not shown by the flexural rigidity, but clearly by the flexural strength (fracture stress) of the examined samples.
  • thermoplastic molding material A prepared from: 75 wt .-% of styrene, 24 wt .-% acrylonitrile and 1 wt. % Maleic anhydride
  • thermoplastic molding material A prepared from: 75 wt .-% of styrene, 24 wt .-% acrylonitrile and 1 wt. % Maleic anhydride
  • 60 wt .-% based on the fiber composite material layer w, a glass-based reinforcing fiber with chemically reactive functionality (silane groups) compounded on the surface [GW 123-580K2 of PD Glasseiden GmbH].
  • silane groups chemically reactive functionality
  • thermoplastic molding composition A (ABS prepared from: 45 wt .-% butadiene, 30 wt .-% styrene, 24 wt. % Acrylonitrile and 1% by weight maleic anhydride) is mixed with 35% by weight, based on the fiber composite material layer w, of a glass-based reinforcing fiber with chemically reactive functionality (silane groups) on the surface [GW 123- 580K2 from PD Glasseiden GmbH]. The fiber composite material layer w is subsequently ribbed.
  • Example 3 Production of molded parts from the fiber composite material layers M and N.
  • Table 1 Compounds Cf. 1, Vgl. 2, Vgl. 10 and Vgl. 15 as well as the compositions according to invention V3 to V9 and V1 1 to V14.
  • the pressing pressure was approximately 20 bar in all test series.
  • Table 7 Average values of the maximum bending stress of the warp and weft directions of the produced organic sheets according to the blends Cf. 2, V5, V7, V9, Cf. 10, V12 to V14 and Cgl. 15, wherein the production temperature was at least 300 ° C.
  • Table 7 shows that the organic sheets V5, V7, V9, V12, V13 and V14 according to the invention have a higher mean maximum bending stress than the organo sheets comprising a matrix containing 75% by weight of styrene (S) and 25% by weight of acrylonitrile ( AN) (See Figures 10 and 15).
  • S styrene
  • AN acrylonitrile
  • Laminate tolerances max. ⁇ 0.1 mm according to semi-finished product
  • Tool pressure Press unit 5-25 bar, infinitely variable for minimum and maximum tool size (optional)
  • Mold temperature control 3 heating and 2 cooling zones
  • Tool length 1000 mm Opening travel press: 0.5 to 200 mm
  • Construction / lamination 6-layer structure with melt middle layer; Manufacturing Method: Melt Direct (SD) Matrix Components A:
  • M1 (SAN type): styrene-acrylonitrile-maleic anhydride (SAN-MA) terpolymer (S / AN / MA: 74/25/1) with an MA content of 1% by weight and an MVR of 22 cm 3 / 10 min at 220 ° C / 10kg (measured to IS01 133); M1 b corresponds to the abovementioned component M1, the matrix additionally being admixed with 2% by weight of carbon black.
  • SAN-MA styrene-acrylonitrile-maleic anhydride
  • M2 (SAN type): styrene-acrylonitrile-maleic anhydride (SAN-MA) terpolymer (S / AN / MA: 73/25 / 2.1) with an MA content of 2.1% by weight and an MVR of 22 cm 3/10 min at 220 ° C / 10kg (measured according to IS01 133); M2b corresponds to the abovementioned component M2, the matrix additionally being admixed with 2% by weight of carbon black.
  • SAN-MA styrene-acrylonitrile-maleic anhydride
  • M3b corresponds to the abovementioned component M3, the matrix additionally being admixed with 2% by weight of carbon black.
  • PA6 semi-crystalline, easy-flowing polyamide Durethan B30S
  • Glass filament cooper fabric (short names: GF-KG (LR) or LR), twill weave 2/2, basis weight 290 g / m 2 , roving EC9 68tex, finish TF-970, delivery width 1000 mm (type: 01 102 0800-1240; Manufacturer: Hexcel, obtained from: Lange + Ritter)
  • Sae ns glass filament scrim 300 g / m 2 , manufacturer's name: Saertex new sizing, + 457-457 + 457-45 °
  • Glass fiber fleece (short name: GV50), basis weight 50 g / m 2 , fiber diameter 10 ⁇ , delivery width 640 mm (Type: Evalith S5030, manufacturer and supplier: Johns Manville Europe) Visual rating
  • All produced composite fiber materials could be produced in each case as (large) sheetlike Orga- nobleche in a continuous process, which could be cut to size (in laminatable, customary transport dimensions such as 1 m x 0.6 m).
  • the embedded fiber material was just recognizable in the backlight when examined in detail.
  • the embedded fiber material was not / hardly recognizable even under closer light in the backlight.
  • LSM confocal laser scanning microscopy
  • the matrix components A are as described above.
  • Fiber components B (unless described above)
  • FG290 glass filament fabric 290g / m 2 , manufacturer's name: Hexcel HexForce® 01202 1000 TF970
  • FG320 glass filament fabric 320g / m 2 , manufacturer's name: PD Glasseide GmbH Oschatz EC 14-320-350
  • Sae MuAx313, glass filament scrim 300g / m 2 , manufacturer's name: Saertex XE-PA-313-655
  • the following black-dyed fiber composite materials were also produced in which the matrix was mixed with 2% by weight of carbon black and introduced into the respective flat fiber material.
  • the fiber composite materials produced each had a thickness of about 1, 1 mm.
  • a thin fiberglass mat (GV50, see above) was applied to the produced fiber composite materials on both sides. This has no noticeable influence on the mechanical or optical properties.
  • the following bending strengths according to DIN EN ISO 14125 were determined for the samples:
  • the fabrics used can be processed into fiber composites with particularly high flexural strength.
  • the fiber composite materials according to the invention in which the matrix contains a component which reacts with the fibers (here: maleic anhydride (MA)) have a significantly higher flexural strength than the comparative molding compositions without such a component, such as PC (OD) or PA6.
  • the evaluation of different textile systems based on glass fibers with different matrix systems to a fiber composite material has shown that good fiber composite materials (as organic sheets and semi-finished products made from them) can be produced reproducibly. These can be made colorless or colored.
  • the fiber composite materials showed good to very good optical, haptic and mechanical properties (such as with regard to their flexural strength and puncture resistance). Mechanically, the tissues showed somewhat greater strength and rigidity than scrim.
  • the styrene copolymer-based matrices (SAN matrices) tended to result in better fiber composite materials in terms of mechanical properties than the alternative matrices such as PC and PA6.
  • the fiber composite materials according to the invention could be produced semi-automatically or fully automatically by means of a continuous process.
  • the fiber composite materials (organo-nobleche) according to the invention can be easily transformed into three-dimensional semi-finished products.

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Abstract

Die Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur, aufgebaut aus: A) thermoplastischen Werkstoff-Schicht w, enthaltend als Komponenten: a) thermoplastischen Formmasse A als Matrix, b) Lage aus Verstärkungsfasern B, und c) optional Additiv C, wobei die Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist, und die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung des Werkstoff-Schicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und B) einer weiteren thermoplastischen Schicht T und/oder einer Schaumstoff-Schicht S, wobei diese weitere Schicht T und/oder S mit der Werkstoff-Schicht w dauerhaft verbunden ist; bietet zur Herstellung von Formteilen erhöhte mechanische Stabilität.

Description

Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur und Schaumstoff- Komponente
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Faserverbund-Werkstoff mit Schaumstoff- Komponente als feste, leichte Sandwich-Struktur. Gegenstand ist auch die Verwendung einer Sandwich-Struktur, aufgebaut aus mindestens einem Faserverbund- Werkstoff W (Organoblech), enthaltend eine thermoplastische Formmasse A und min- destens eine Lage aus Verstärkungsfasern B. Die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B wird in die Matrix mit der thermoplastischen Formmasse A eingebettet, wobei die thermoplastische Formmasse A mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist. Der Faserverbund-Werkstoff hat eine weitere thermoplastische Schicht T und/oder mindestens eine Schaumstoff-Schicht S, er eignet sich zur Herstellung von Formteilen.
Faserverbund-Werkstoffe (bzw. Organobleche) bestehen aus einer Vielzahl von Verstärkungsfasern, die in eine Polymer-Matrix eingebettet sind. Die Einsatzbereiche von Faserverbund-Werkstoffen sind vielfältig. Faserverbund-Werkstoffe kommen im Fahr- zeug- und Luftfahrt-Bereich zum Einsatz. Hierbei sollen Faserverbund-Werkstoffe das Zerreißen oder sonstige Fragmentierungen der Matrix verhindern, um somit die Unfallgefahr durch verteilte Bauteilfetzen zu vermindern. Viele Faserverbund-Werkstoffe sind in der Lage, bei Belastung vergleichsweise hohe Kräfte aufzunehmen, bevor es zum totalen Versagensfall kommt. Gleichzeitig zeichnen sich Faserverbund-Werkstoffe ge- genüber herkömmlichen, nicht verstärkten Materialien durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte und weiteren vorteilhaften Eigenschaften wie beispielsweise guter Alterungs- und Korrosionsbeständigkeit aus.
Festigkeit und Steifigkeit der Faserverbund-Werkstoffe sind dabei an die Belastungs- richtung und Belastungsart anpassbar. Hierbei sind in erster Linie die Fasern für die Festigkeit und Steifigkeit des Faserverbund-Werkstoffs verantwortlich. Zudem bestimmt auch ihre Anordnung die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Faserverbund-Werkstoffs. Die Matrix dient dagegen meist primär zum Einleiten der aufzunehmenden Kräfte in die einzelnen Fasern und zur Beibehaltung der räumlichen An- Ordnung der Fasern in der gewünschten Orientierung. Da sowohl die Fasern als auch die Matrix-Materialien variierbar sind, kommen zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten von Fasern und Matrix-Materialien in Betracht.
Bei der Herstellung von Faserverbund-Werkstoffen spielt die Verbindung von Fasern und Matrix zueinander eine wesentliche Rolle. Auch die Festigkeit der Einbettung der Fasern in die Polymer-Matrix (Faser-Matrix- Haftung) kann erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Faserverbund- Werkstoffs haben. Zur Optimierung der Faser-Matrix-Haftung und um eine„geringe chemische Ähnlichkeit" zwischen den Faseroberflächen und der umgebenen Polymer-Matrix auszugleichen, werden Verstärkungsfasern regelmäßig vorbehandelt. Hierzu werden der sogenannten Schlichte (Schlichtemittel) regelmäßig Haftvermittler zugesetzt. Eine solche Schlichte wird regelmäßig während der Herstellung auf die Faser aufgebracht um die Weiterverarbeitbarkeit der Fasern (wie Weben, Legen, Nähen) zu verbessern. Wenn die Schlichte für die spätere Weiterverarbeitung unerwünscht ist, muss sie erst in einem zusätzlichen Verfahrensschritt entfernt werden, etwa durch Verbrennen. . In einigen Fällen werden Glasfasern auch ohne Schlichte verarbeitet. Dann wird für die Herstellung des Faserverbund-Werkstoffs ein weiterer Haftvermittler in einem zusätzlichen Verfahrensschritt aufgebracht. Schlichte und/oder Haftvermittler bilden auf der Oberfläche der Fasern eine Schicht, welche die Wechselwirkung der Fasern mit der Umgebung wesentlich bestimmen kann. Heute steht eine Vielzahl unterschiedlicher Haftvermittler zur Verfügung. Der Fachmann kann je nach Anwen- dungsgebiet, zu verwendender Matrix und zu verwendenden Fasern einen geeigneten Haftvermittler auswählen, der mit der Polymer-Matrix und mit den Fasern kompatibel ist.
Eine technische Herausforderung besteht darin, dass bei Eintritt des totalen Versa- gensfalls der Faserverbund-Werkstoff einen Sprödbruch erleiden kann. Folglich kann beispielsweise im Bau von Formkörper, die einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, eine erhebliche Unfallgefahr von zerrissenen Bauteilen entstehen.
Daher ist es gewünscht, leichte Sandwich-Strukturen, enthaltend Faserverbund- Werkstoffe, mit einem weiten Belastungsbereich, bei dem der totale Versagensfall unwahrscheinlich ist, bereitzustellen. Gewünscht sind zudem gute optische Eigenschaften, wie die Möglichkeit, mittels der Faserverbund-Werkstoffe mit Sandwich-Strukturen verschiedene Elemente mit glatten Oberflächen herstellen zu können. In WO 2008/058971 werden Formmassen beschrieben, welche zwei Gruppen von Verstärkungsfasern verwenden. Die Gruppen von Verstärkungsfasern sind jeweils mit verschiedenen Haftvermittler-Komponenten versehen, welche die verschiedenen Faser-Matrix-Haftungen bewirken. Die zweite Faser-Matrix-Haftung ist geringer als die erste Faser-Matrix-Haftung, und die oberflächennahen Lagen von Verstärkungsfasern aus Verstärkungsfasern der ersten Gruppe werden mit größerer Faser-Matrix Haftung gebildet. Als Matrix-Materialien werden Duroplasten wie Polyester und die Thermoplasten Polyamid und Polypropylen vorgeschlagen.
WO 2008/1 19678 beschreibt ein Glasfaser-verstärktes Styrol-Acrylnitril Copolymer (SAN), welches durch Verwendung von Maleinsäureanhydrid-Gruppen-haltiges Styrol- Copolymer und geschnittenen Glasfasern in seinen mechanischen Eigenschaften ver- bessert wird. Es wird daher der Einsatz von Kurzfasern gelehrt. Es wird jedoch kein Hinweis auf Faserverbund-Werkstoffe gegeben.
CN 102924857 beschreibt Mischungen aus Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymeren, welche mit Schnittglas gemischt werden und dann relative hohe Festigkeiten zeigen. Jedoch ist die Spannungsrissbeständigkeit eines solchen Materials gegenüber Lösungsmitteln zu gering. Auch die Festigkeit gegenüber Glasfaserverbunden deutlich ist zu niedrig.
CN 101555341 beschreibt Mischungen aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Glasfa- sern, Maleinsäureanhydrid-haltigen Polymeren und Epoxidharzen. Bei der Herstellung werden ABS und das Maleinsäureanhydrid-haltige Polymer vorgelegt, um zunächst das Epoxidharz zuzugeben und dann die Glasfasern. Die Fließfähigkeit einer solchen Mischung, enthaltend ein (duromeres) Epoxidharz, ist sehr beschränkt. KR 100376049 lehrt Mischungen aus SAN, Maleinsäureanhydrid- und N- Phenylmaleinimid-haltigem Copolymer, geschnittenen Glasfasern und einem Amino- silan-basierten Kupplungsagens. Die Verwendung eines solchen Kupplungsagens führt zu zusätzlichen Verarbeitungsschritten und erhöht somit die Produktionskosten. WO 2014/163227 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Verbundplatten und CA 2862396 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen bestehend aus einer Kernstruktur und mindestens einer Oberflächenplatte, welche mit der Kernstruktur verbunden wird. US-A 201 1/0020572 beschreibt Organoblech-Bauteile mit einem Hybrid-Design aus beispielsweise einer hoch fließfähigen Polycarbonat-Komponente. Dabei wird Polycar- bonat (PC) durch geeignete Additive fließfähig gemacht, wie über hyperverzweigte Polyester, Ethylen/(Meth)acrylat Copolymere oder niedermolekulare Polyalkylenglyko- lester. DE 20 2010 001 918 lehrt die Herstellung von Verbundstoffen, bei denen die Fasern mit nicht-reaktiven Formassen unter Einsatz von Haft- und Verträglichkeitsvermittlern reagieren.
WO 2008/1 10539 lehrt einschichtige Verbundstoffe, bei denen Glasfasern in eine Formmasse eingebettet werden.
(Glas-)Fasern werden im Stand der Technik häufig mit einer Schlichte behandelt, wel- che vor allem die Fasern gegenseitig schützen. Ein gegenseitiges Beschädigen durch Abrieb soll verhindert werden. Beim gegenseitigen mechanischen Einwirken soll es nicht zur Querfragmentierung (Bruchbildung) kommen.
Ferner kann mittels der Schlichte der Schneidevorgang der Faser erleichtert werden, um vor allem eine gleiche Stapellänge zu erhalten. Daneben kann durch die Schlichte eine Agglomeration der Fasern vermieden werden. Die Dispergierbarkeit von Kurzfasern in Wasser kann verbessert werden. Somit ist es möglich, gleichmäßige Flächengebilde nach dem Naßlegeverfahren zu erhalten. Eine Schlichte kann dazu beitragen, dass ein verbesserter Zusammenhalt zwischen den Glasfasern und der Polymer-Matrix, in welcher die Glasfasern als Verstärkungsfasern wirken, hergestellt wird. Dieses Prinzip findet vor allem bei den glasfaserverstärken Kunststoffen (GFK) Anwendung. Bislang enthalten die Glasfaser-Schlichten generell eine große Anzahl an Bestandteilen, wie beispielsweise Filmbildner, Gleitmittel, Netzmittel und Haftvermittler.
Ein Filmbildner schützt die Glasfilamente vor gegenseitiger Reibung und kann zusätzlich eine Affinität zu Kunstharzen verstärken, um somit die Festigkeit und den Zusam- menhalt eines Verbundwerkstoffes zu fördern. Stärkederivate, Polymere und Copoly- mer von Vinylacetat und Acrylestern, Epoxidharz-Emulsionen, Polyurethanharze und Polyamide mit einem Anteil von 0,5 bis 12 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Schlichte, sind zu nennen. Ein Gleitmittel verleiht den Glasfasern und deren Produkten Geschmeidigkeit und vermindert die gegenseitige Reibung der Glasfasern, sowie bei der Herstellung. Oftmals wird jedoch die Haftung zwischen Glas und Kunstharz durch die Verwendung von Gleitmitteln beeinträchtigt. Fette, Öle und Polyalkylenamine in einer Menge von 0,01 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Schlichte, sind zu nennen. Ein Netzmittel bewirkt eine Herabsetzung der Oberflächenspannung und eine verbesserte Benetzung der Filamente mit der Schlichte. Für wässrige Schlichten sind beispielsweise Polyfettsäureamide mit einer Menge von 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Schlichte, zu nennen.
Oftmals existiert keine geeignete Affinität zwischen der Polymer-Matrix und den Glasfasern.
Diese Überbrückung können Haftvermittler übernehmen, welche die Adhäsion von Po- lymeren an der Faseroberfläche erhöhen. Die meisten organo-funktionellen Silane, wie beispielsweise Aminopropyltriethoxysilan, Methacryloxypropyltrimethoxysilan, Glycidy- loxypropyltrimethoxysilan und ähnliche sind zu nennen.
Silane, welche einer wässrigen Schlichte zugesetzt werden, werden meist zu Silanolen hydrolysiert. Diese Silanole können dann mit reaktiven (Glas-)Faseroberflächen reagieren und somit eine Haftmittelschicht (mit einer Dicke von ca. 3 nm) bilden.
Folglich können niedermolekulare, funktionale Agenzien mit Siianoigruppen auf der Glasoberfläche reagieren, wobei diese niedermolekularen Agenzien anschließend wei- terreagieren (beispielsweise in Epoxidharzen) und dabei für eine chemische Anbindung der Glasfaser an die Polymer-Matrix sorgen. Eine solche Herstellung ist jedoch zeit- aufwändig und dauert bis zur vollständigen Aushärtung der Polymere (beispielsweise der oben genannten Epoxidharze) ungefähr zwischen 30 Minuten bis über eine Stunde.
Es erscheint daher wünschenswert, in einem verbesserten Verfahren bereits polymeri- sierte Schmelzen in Verbindung mit Glasfasern oder anderen Verstärkungsfasern zu bringen. Eine Funktionalisierung durch Umsetzung mit Polymeren ist ebenfalls bekannt. So gelingt es, durch Verwendung niedermolekularer Polycarbonat-Typen das Glasfasergewebe bzw. -gelege gut zu tränken und durch Reaktion von funktionellen Gruppen auf der Glasfaseroberfläche mit dem Polycarbonat eine„Pfropfung" durchzuführen, welche die Verträglichkeit zum Polymer erhöht. Diese Verfahrensweise hat jedoch den Nach- teil, dass Polycarbonat (PC) eine sehr hohe Viskosität besitzt und für diesen Imprägnierschritt niedermolekulares, d.h. niedrigviskoses PC eingesetzt werden muss, welches eine äußerst schlechte Gebrauchstauglichkeit, wie beispielsweise eine geringe Resistenz gegenüber Spannungsriss auslösenden Agenzien, wie polare Lösungsmittel, aufweist. Eine technische Aufgabe der Erfindung ist es einen Faserverbund-Werkstoff mit Sandwich-Struktur, enthaltend einen Faserverbund-Werkstoff (Organoblech), herzustellen, welche geeignete Eigenschaften zum Bau von Formteilen aufweist.
Der enthaltene Faserverbund-Werkstoff sollte auf einem leicht zu verarbeitenden, gegen herkömmliche Lösemittel weitgehend inerten, gut spannungsrissbeständigen, festen Verbundwerkstoff basieren und eine glatte Oberfläche aufweisen. Idealerweise kommt der Faserverbund-Werkstoff ohne Haftvermittler aus.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass Sandwich-Strukturen, aufgebaut aus mindestens einer thermoplastischen Werkstoff-Schicht w und einer weiteren thermoplastischen Schicht T und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S die gewünschten Kriterien erfüllen. Die thermoplastische Werkstoff-Schicht w enthält mindestens eine thermoplastische Formmasse A als Matrix, mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, und optional mindestens ein Additiv C, wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix eingebettet ist. Dabei weist die thermoplastische Formmasse A mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität auf, welche während des Herstellungsprozesses des Faserverbund-Werkstoffs mit chemischen Gruppen der Oberfläche von Komponente B reagiert. Der erhaltene Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich-Struktur weist eine gute Festigkeit auf und ist spannungsriss- und lösungsmittelbeständig.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Faserver- bund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur, aufgebaut aus:
A) mindestens einer thermoplastischen Werkstoff-Schicht w,
enthaltend als Komponenten bei der Herstellung
a) mindestens eine thermoplastische Formmasse A als Matrix,
b) mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, und
c) optional mindestens ein Additiv C, wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist, und
wobei die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung des Werkstoff-Schicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und B) mindestens einer weiteren thermoplastischen Schicht T, die von der Schicht w verschieden ist, und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S, wobei diese weitere Schicht T und/oder S mit der Werkstoff-Schicht w dauerhaft verbunden ist; zur Herstellung von Formteilen.
Daher betrifft die vorliegenden Erfindung auch, anders ausgedrückt, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur, umfassend die folgenden Schritte: (i) Bereitstellen von
mindestens einer thermoplastischen Werkstoff-Schicht w,
enthaltend als Komponenten (oder bestehend aus den Komponenten) bei der Herstellung
a) mindestens eine thermoplastische Formmasse A als Matrix,
b) mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, und
c) optional mindestens ein Additiv C,
wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist, und
wobei die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung des Werkstoff- Schicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und
(ii) Aufbringen von
mindestens einer weiteren thermoplastischen Schicht T, die von der Schicht w verschieden ist, und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S, wobei diese weitere Schicht T und/oder S mit der Werkstoff-Schicht w dauerhaft verbunden ist; zur Herstellung von Formteilen.
Die Polymer-Matrix kann eine Matrix aus amorphem Kunststoff (Polymer) sein, in die die Fasern als Verstärkungsfasern B eingebettet und über eine Faser-Matrix-Haftung mit der Matrix gekoppelt sind.
Erfindungsgemäß weist die Werkstoff-Schicht w die Komponenten A und B auf. Die Verstärkungsfasern B sind in eine thermoplastische Formmasse A eingebettet. Die entsprechende Werkstoff-Schicht w ist mit mindestens einer thermoplastischen Schicht T oder Schaumstoff-Schicht S verbunden.
Die Erfindung betrifft besonders die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur, aufgebaut (oder bestehend) aus: A) 10 bis 70 Gew.-% mindestens einer thermoplastische Werkstoff-Schicht w, enthaltend
a) 30 bis 95 Gew.-% der thermoplastischen Formmasse A,
b) 5 bis 70 Gew.-% der Verstärkungsfaser B,
c) 0 bis 40 Gew.-% mindestens eines Additivs C, und
B) 30 bis 90 Gew.-% mindestens einer weitern thermoplastischen Schicht T und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S. Die Erfindung betrifft besonders die Verwendung einer wie oben beschriebenen Sandwich-Struktur, wobei die thermoplastische Formmasse A amorph ist.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die ther- moplastische Formmasse A amorph ist und auf einem, durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifizierten Styrol-Copolymer basiert.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die ther- moplastische Formmasse A ausgewählt ist aus der Gruppe von, durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifizierten Copolymeren, bestehend aus: Styrol-Acrylnitril- Copolymere, α-Methylstyrol-Acrylnitril-Copolymere, schlagzäh modifizierte Acrylnitril- Styrol-Copolymere, insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) und Acrylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymere (ASA), sowie Blends der genannten Copoly- mere mit Polycarbonat oder Polyamid. Die thermoplastische Formmasse A ist z. B. ein durch Maleinsäureanhydrid modifiziertes Styrol-Acrylnitril-Copolymer oder Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymer (ABS).
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die chemisch reaktive Funktionalität der thermoplastischen Formmasse A basiert auf Komponenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Maleinsäureanhydrid, N- Phenylmaleinimid und Glycidyl(meth)acrylat. In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die thermoplastische Formmasse A von 0,1 bis 10 Gew.-%, oftmals 0,15 bis 5 Gew.-%, Monomere (A-l), bezogen auf die Menge an Komponente A, enthält, wobei diese Monomere eine chemisch reaktive Funktionalität aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen thermoplastischen Faserverbund-Werkstoffs, wobei die Verstärkungsfasern B aus Glasfasern bestehen, welche bevorzugt als chemisch reaktive Funktionalität Silangruppen an der Oberfläche enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Verstärkungsfasern B an der Oberfläche eine oder mehrere chemisch reaktive Funktionali- täten aus der Gruppe Hydroxy-, Ester- und Amino-Gruppen enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Verstärkungsfasern B aus Glasfasern bestehen, welche als chemisch reaktive Funktionali- tät Silanol-Gruppen an der Oberfläche enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Verstärkungsfaser B in Form eines Geleges, eines Gewebes, einer Matte, eines Vlieses oder eines Gewirkes eingesetzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Verstärkungsfasern B in Form eines Geleges, eines Gewebes, einer Matte, eines Vlieses oder eines Gewirkes in einem durch Maleinsäureanhydrid modifizierten Styrol- Copolymer als Formmasse A eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Werk- stoff-Schicht w eine Dicke von <100 mm, insbesondere von <20 mm, vorzugsweise von <10 mm, besonders von < 5 mm aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Werkstoff-Schicht w eine Verrippung aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur, wobei die Werkstoff-Schicht w schichtartig aufgebaut ist und mehrere Schichten enthält. In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Sandwich-Struktur schichtartig aufgebaut ist und mehr als drei Schichten, z. B. 4 oder 5 Schichten, enthält.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur, wobei die mindestens eine thermoplastische Schicht T und/oder mindestens eine Schaumstoff- Schicht S durch Lamination oder (Co-)Extrusion mit der thermoplastischen Werkstoff- Schicht w verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die thermoplastische Schicht T mit mindestens einer Kurz-, Lang- oder Endlosfaser S, insbe- sondere mit Carbon- oder Basaltfasern, verstärkt ist.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung die Verwendung eines wie oben beschriebenen Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, wobei die Schaumstoff-Schicht S aus expandierten thermoplastischen Formmassen (wie expan- diertem Polystyrol) besteht, die durch chemische oder physikalische Treibmittel hergestellt wurden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich-Struktur, enthaltend (oder bestehend aus):
A) mindestens eine thermoplastischen Werkstoff-Schicht w,
enthaltend als Komponenten bei der Herstellung
a) mindestens eine thermoplastische Formmasse A als Matrix,
b) mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, und
c) optional mindestens ein Additiv C,
wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist, und
wobei die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung des Werkstoff-Schicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und
B) mindestens eine weiteren thermoplastischen Schicht T, die von der Schicht w verschieden ist, und/oder mindestens eine Schaumstoff-Schicht S, wobei diese weitere Schicht T und/oder S mit der Werkstoff-Schicht w dauerhaft verbunden ist. Es wird verstanden werden, dass es sich hierbei bevorzugt um einen Faserverbund- Werkstoff W mit Sandwich-Struktur der gemäß der hierin beschriebenen Verwendung hergestellt wurde und/oder ein oder mehrere weitere Merkmale wie hierin beschrieben aufweist. Die Definitionen und bevorzugten Ausführungsformen wie bezüglich der Verwendung definiert gelten für den Faserverbund-Werkstoff W als solchen genauso.
Komponente A Die Werkstoff-Schicht w enthält mindestens 20 Gew.-%, in der Regel mindestens 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Werkstoff-Schicht w, der thermoplastischen Matrix M bzw. der thermoplastischen Formmasse A. Die thermoplastische Matrix (M), die die Formmasse A enthält (bzw. aus dieser besteht), ist in der Werkstoff- Schicht w bevorzugt von 30 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt von 35 bis 90 Gew.- %, oftmals von 35 bis 70 Gew.-% und insbesondere von 38 bis 70 Gew.-%, bezogen auf die Werkstoff-Schicht w, vorhanden. Bevorzugt entspricht die thermoplastische Matrix M der thermoplastischen Formmasse A.
Dem Fachmann wird verständlich sein, dass die thermoplastische Formmasse A erfin- dungsgemäß mindestens ein (Co)polymer umfasst, das mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche während des Herstellungsprozesses des Faserverbund-Werkstoffs mit chemischen Gruppen an der Oberfläche der Verstärkungsfaser-Komponente B reagiert. Ein solches (Co)polymer umfasst mindestens ein funktionelles Monomer A-l, dessen Funktionalität während des Herstellungsprozesses des Faserverbund-Werkstoffs mit chemischen Gruppen an der Oberfläche der Verstärkungsfaser-Komponente B reagiert. Das Monomer A-l umfassende (Co)polymer wird hierin auch als Polymer-Komponente (A-a) bezeichnet.
Optional kann die thermoplastische Formmasse A noch ein oder mehrere (Co)polymere enthalten die wahlweise auch frei von einer solchen chemisch reaktiven Funktionalität sind (daher kein funktionales Monomer A-l enthalten) und somit während des Herstellungsprozesses des Faserverbund-Werkstoffs nicht mit chemischen Gruppen an der Oberfläche der Verstärkungsfaser-Komponente B reagieren. Ein solches (Co)polymer wird hierin auch als Polymer-Komponente (A-b) bezeichnet.
Bevorzugt besteht die thermoplastische Formmasse A hauptsächlich (zu mehr als 50%) aus einem Copolymer (A-1 ). Gemäß einer Ausführungsform besteht die thermoplastische Formmasse A zu mindestens 75 Gew.-%, bevorzugt zu mindestens 90 Gew.-% aus dem Copolymer A-1 . Die thermoplastische Formmasse A kann auch nur aus Copolymer A-1 bestehen.
Ein solches Styrol-Copolymer kann, sofern als Polymer-Komponente (A-a) eingesetzt, etwa ein M-l-enthaltenes Styrol-Copolymer (beispielhaft ein Maleinsäureanhydrid- enthaltendes Styrol-Copolymer) sein.
Für eine erfindungsgemäßen Werkstoff -Schicht w kommen als thermoplastische Formmasse A zwar beliebige thermoplastische Polymere in Frage, insbesondere je- doch werden modifizierte Styrol-Copolymere, insbesondere SAN, ABS und ASA, eingesetzt.
Wie oben bereits ausgeführt, wird der Fachmann verstehen, dass erfindungsgemäß mindestens eine der (Co)polymer-Komponenten der thermoplastischen Formmasse A ein (Co)polymer darstellt, das mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität wie hierin beschrieben aufweist (Polymer-Komponente (A-a)). Bevorzugt wird demnach, dass mindestens eine der vorstehend genannten Polymer-Komponenten (daher mindestens ein (ggf. modifiziertem) Polystyrol und/oder mindestens ein Copolymer A-1 (Styrol-Copolymer, insbesondere SAN, ABS und ASA)) mindestens ein Monomer A-l umfasst.
Beispielhaft, im Falle der Verwendung von Maleinsäureanhydrid (MA) als Monomer A-l, kann das Polystyrol daher ein Polystyrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (S-MA), das Copolymer A-1 beispielhaft Styrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (SAN- MA), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (ABS-MA), Acrylester- Styrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid-Copolymer (ASA-MA) sein.
Optional können zusätzlich zu der mindestens einen Polymer-Komponente (A-a) ein oder mehrere beliebige weitere (Co)polymere ohne eine solche Funktionalität (als Po- lymer-Komponente (A-b)) eingesetzt werden. Es wird verstanden werden, dass dies optional auch Polystyrol, SAN, ABS und/oder ASA (jeweils kein Monomer A-l umfassend) sein kann.
Die thermoplastische Formmasse A (Komponente A) ist bevorzugt eine amorphe Formmasse, wobei amorpher Zustand der thermoplastischen Formmasse (Thermoplast) bedeutet, dass die Makromoleküle ohne regelmäßige Anordnung und Orientierung, d.h. ohne gleich bleibenden Abstand, völlig statistisch angeordnet sind. Bevorzugt weist die gesamte thermoplastische Formmasse A amorphe, thermoplastische Eigenschaften auf, ist daher schmelzbar und (weitgehend) nicht kristallin. Dadurch ist der Schrumpf der thermoplastische Formmasse A, und daher auch der gesamten Werkstoff-Schicht w, vergleichsweise gering. Es können besonders glatte Oberflächen bei den Formteilen erhalten werden. Alternativ enthält die Komponente A einen teilkristallinen Anteil, in der Regel von kleiner 50 Gew.-%, bevorzugt kleiner 40 Gew.-%, oftmals kleiner 25 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht von Komponente A. Teilkristalline Thermoplasten bilden sowohl chemisch regelmäßige, als auch geometrische Bereiche aus, d. h. es gibt Bereiche, in denen sich Kristalliten bilden. Kristalliten sind Parallelbündelungen von Molekülab- schnitten oder Faltungen von Molekülketten. Einzelne Kettenmoleküle können dabei teilweise den kristallinen oder den amorphen Bereich durchlaufen. Sie können manchmal sogar mehreren Kristalliten gleichzeitig angehören.
Die thermoplastische Formmasse A kann ein Blend von amorphen thermoplastischen Polymeren und teilkristallinen Polymeren sein. Die thermoplastische Formmasse A kann z.B. ein Blend eines Styrol-Copolymers mit einem oder mehreren Polycarbo- nat(en) und/oder einem oder mehreren teilkristallinen Polymeren (wie Polyamid) sein, wobei der Anteil teilkristalliner Mischkomponenten an der gesamten Komponente A kleiner als 50 Gew.-%, bevorzugt kleiner 40 Gew.-%, oftmals kleiner 25 Gew.-% sein sollte.
Erfindungsgemäß enthält die eingesetzte thermoplastische Formmasse A mindestens ein Copolymer A-1 , das Monomere A-l umfasst, die mit den funktionellen Gruppen B-l der eingebetteten Verstärkungsfasern B kovalente Bindungen eingehen. Der Anteil an Monomeren A-l in der thermoplastischen Formmasse A kann variabel gewählt sein. Je höher der Anteil an Monomeren A-l und der funktionellen Gruppen (B-l) ist, desto stärker kann auch die Bindung zwischen der thermoplastischen Formmasse A und den Verstärkungsfasern B sein. Monomere A-l können in Copolymer A-1 noch als Monomere vorliegen oder in das Copolymer A-1 integriert sein. Vorzugsweise sind die Mo- nomere A-l in das Copolymer A-1 integriert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Copolymer A aufgebaut mit einem Anteil an Monomeren A-l von mindestens 0,1 Gew.-%, beispielsweise 0,1 bis 10 Gew.- %, vorzugsweise von 0,15 bis 5 Gew.-%, bevorzugt von 0,5 bis 5 Gew.-%, insbesonde- re von 1 Gew.-%, z. B. 1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf Komponente A.
Als Monomere A-l, die mit den funktionellen Gruppen B-l der Fasern B kovalente Bindungen eingehen können, kommen alle Monomere in Frage, die derartige Eigenschaf- ten aufweisen. Bevorzugt sind dabei als Monomere A-l solche, die durch Reaktion mit Hydroxy- oder Aminogruppen kovalente Bindungen eingehen können.
Bevorzugt, weisen die Monomere A-l auf:
(a) mindestens eine Funktionalität, die in der Lage ist, mit den funktionellen Gruppen B-l der Oberfläche der Fasern B (etwa durch Reaktion mit Hydroxyl- und/oder Aminogruppen) kovalente Bindungen einzugehen; und
(b) mindestens eine zweite Funktionalität, die in der Lage ist in das Copolymer A-1 eingebunden zu werden, beispielsweise eine Doppelbindung, bevorzugt eine endständige Doppelbindung, die mittels radikalischer Polymerisation in das Copolymer A-1 eingebunden wird.
Optional kann das Copolymer A-1 oder auch ein anderes in der thermoplastischen Formmasse A enthaltenes (Co)polymer ein oder mehrere weitere Monomere enthalten, die in der Lage sind, mit den Fasern B kovalente oder nicht-kovalente Bindungen einzugehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Monomere A-l ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus:
Maleinsäureanhydrid (MA),
N-Phenylmaleimid (PM),
tert.-Butyl(meth)acrylat und
Glycidyl(meth)acrylat (GM).
Gemäß einer stärker bevorzugten Ausführungsform sind die Monomere A-l ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Maleinsäureanhydrid (MA), N-Phenylmaleimid (PM) und Glycidyl(meth)acrylat (GM).
Es können auch zwei dieser Monomere A-l im Copolymer A-1 enthalten sein. Das Copolymer A-1 der Formmasse A kann optional weitere funktionelle Monomere A-Il beinhalten. Die Matrix-Komponente M enthält mindestens eine thermoplastische Formmasse A, insbesondere eine solche, die für die Herstellung von Faserverbund-Werkstoffen geeignet ist. Bevorzugt werden für die Formmasse A amorphe Thermoplaste eingesetzt. Beispielsweise werden (jeweils optional Monomere A-l enthaltend)modifizierte Styrol- copolymere eingesetzt, wie Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN) oder a-Methylstyrol- Acrylnitril-Copolymere (AMSAN), schlagzäh modifizierte Styrol-Acrylnitril-Copolymere, wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Styrol-Methylmethacrylat- Copolymere (SMMA), Methacrylat-Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (MABS) oder Acrylester-Styrol-Acrylnitril-Copolymere (ASA), wobei die entsprechenden Formmassen mit Monomere (A-l) modifiziert sind.
Auch Blends der zuvor genannten Copolymere mit Polycarbonat oder teilkristallinen Polymeren wie Polyamid, sind geeignet, vorausgesetzt, der Anteil teilkristalliner Mischkomponenten an der Komponente A ist kleiner als 50 Gew.%. Ganz besonders bevorzugt werden ABS Copolymere (mit Modifizierung durch Monomere A-l) als thermoplastische Formmasse A eingesetzt. Es wird verstanden werden, dass hierbei mindestens eine der Polymer-Komponenten in der thermoplastische Formmasse A mit Monomer A-l modifiziert ist (Polymer- Komponente (A-a)), bevorzugt eine oder mehrere der vorstehend genannten Styrol- Copolymere mit Monomer A-l modifiziert ist. Beliebige weitere Polymer-Komponenten (etwa Styrol-Copolymere, bevorzugt solche wie vorstehend genannt) können optional zusätzlich in der thermoplastische Formmasse A enthalten sein, die optional nicht mit Monomer A-l modifiziert sind (Polymer-Komponente (A-b)) sind.
Auch Blends der zuvor genannten Copolymere (ein oder mehreren Polymer- Komponenten (A-a) und optional (A-b)) mit Polycarbonat oder teilkristallinen Polymeren wie Polyamid, sind geeignet, vorausgesetzt, der Anteil teilkristalliner Mischkomponenten an der Komponente A ist kleiner als 50 Gew.%. Ganz besonders bevorzugt werden SAN-(M-l)-Copolymere (mit Modifizierung durch Monomere A-l) als (optional auch als einziger polymerer Bestandteil) Bestandteil der thermoplastischen Formmasse A eingesetzt.
Ein erfindungsgemäß verwendetes, modifiziertes (a-Methyl)Styrol-Acrylnitril-Copolymer als thermoplastische Formmasse A wird hergestellt aus, bezogen auf das (o Methyl)Styrol-Acrylnitril-Copolymer, 60 bis 85 Gew.-%, vorzugsweise 65 bis 80 Gew.- %, (a-Methyl)Styrol, 14,9 bis 37 Gew.-%, vorzugsweise 19,9 bis 32 Gew.-%, Acrylnitril und 0,1 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 3 Gew.-%, Maleinsäureanhydrid. Ferner ist als erfindungsgemäße Komponente A zu nennen: Styrol/Maleinsäureanhydrid Co- polymer, Methylmethacrylat/Maleinsäureanhydrid Copolymere oder Sty- rol/Maleinsäureanhydrid/N-Phenylmaleinimid Copolymer. Auch Mischungen aus modifiziertem Styrol-Acrylnitril-Copolymer mit a-Methyl-Styrol- Acrylnitril-Copolymer sind zu nennen.
Ein erfindungsgemäßes Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer als thermoplastische Formmasse A wird nach bekannten Methoden hergestellt aus Styrol, Acrylnitril, Butadien und einem funktionellen weiteren Monomer A-l, wie z. B. Methylmethacrylat.
Das modifizierte ABS-Copolymer kann z. B. enthalten: bis zu 70 Gew.-% (etwa 35 bis 70 Gew.-%) Butadien, bis zu 99,9 Gew.-% (etwa 20 bis 50 Gew.-%) Styrol und bis zu 38 Gew.-% (etwa 9 bis 38 Gew.-%) Acrylnitril sowie 0,1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 10, stärker bevorzugt 0,1 bis 5, insbesondere 0,1 bis 3 Gew.-% eines Monomers A- I, wie Maleinsäureanhydrid. Komponente A kann auch hergestellt werden aus 3bis zu 70 Gew.-% (etwa 35 bis 70 Gew.-%) mindestens eines konjugierten Diens, bis zu 99,9 Gew.-% (etwa 20 bis 50 Gew.-%) mindestens eines vinylaromatischen Monomers und bis 38 Gew.-% (etwa 9 bis 38 gew.-%) Acrylnitril sowie 0,1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 10, stärker bevorzugt 0,1 bis 5, insbesondere 0,1 bis 3 Gew.-%, eines Monomers A-l, wie Maleinsäureanhydrid.
Ein erfindungsgemäßes (a-Methyl)Styrol-Methylmethacrylat-Copolymer (als Polymer- Komponente (A-a)) als thermoplastische Formmasse A wird hergestellt aus, bezogen auf das (a-Methyl)Styrol-Methylmethacrylat-Copolymer, mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise 55 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 bis 85 Gew.-%, (a- Methyl)Styrol, 4,9 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 14,9 bis 40 Gew-% Methylmethacrylat und 0,1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 10, stärker bevorzugt 0,1 bis 5 Gew.-%, ins- besondere 0,1 bis 3 Gew.-%, eines Monomers A-l, wie Maleinsäureanhydrid. Das (o Methyl)Styrol-Methylmethacrylat-Copolymer kann zufällig (statistisch) oder als Blockpolymer aufgebaut sein.
Komponente A kann auch hergestellt werden aus bezogen auf Komponente A, mindes- tens 50 Gew.-%, vorzugsweise 55 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt 60 bis 85 Gew.-%, vinylaromatisches Monomer, 4,9 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 14,9 bis 40 Gew-%, Methylmethacrylat und 0,1 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 bis 3 Gew.-%, eines Monomers A-l, wie Maleinsäureanhydrid. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, ist die erfindungsgemäße Komponenten A ein Styrol/Butadien Copolymer wie z.B. (jeweils optional chemisch mofifiziertes) schlagfestes Polystyrol, ein Styrol-butadien-Blockcopolymer wie z.B. Styrolux®, Styro- flex®, K-Resin, Clearen, Asaprene, ein Polycarbonat, ein amorpher Polyester oder ein amorphes Polyamid. Der Fachmann wird verstehen, dass erfindungsgemäß mindestens eine der (Co)polymer-Komponenten der thermoplastischen Formmasse A ein (Co)polymer darstellt, das mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität wie hierin beschrieben aufweist (Polymer-Komponente (A-a)). Dies kann auch eine Polymer-Komponente wie vorstehend beschrieben sein, die in der genannten Formmasse mindestens ein funktionales Monomer A-l enthält. Optional können ein oder mehrere beliebige weitere (Co)polymere ohne eine solche Funktionalität (als Polymer-Komponente (A-b)) eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Matrix M aus mindestens zwei voneinander unterschiedlichen thermoplastischen Formmassen A bestehen. Diese verschiedenen Formmassetypen können beispielsweise einen unterschiedlichen Schmelzflussindex (MFI), und/oder andere Co-Monomere oder Additive aufweisen.
Gemäß der Erfindung kann der Begriff Molekulargewicht (Mw) im weitesten Sinne als die Masse eines Moleküls oder einen Bereich eines Moleküls (z.B. ein Polymerstrang, ein Blockpolymer oder ein kleines Molekül) verstanden werden, welches in g/mol (Da) und kg/mol (kDa) angegeben werden kann. Vorzugsweise ist das Molekulargewicht (Mw) das Gewichtsmittel, welches über die im Stand der Technik bekannten Verfahren bestimmt werden kann.
Bevorzugt weisen die thermoplastischen Formmassen A ein Molekulargewicht Mw von 60.000 bis 400.000 g/mol, besonders bevorzugt von 80.000 bis 350.000 g/mol auf, wobei Mw durch Lichtstreuung in Tetrahydrofuran bestimmt werden kann (GPC mit UV-Detektor). Das Molekulargewicht Mw der thermoplastischen Formmassen A kann in einem Bereich von +/- 20% variieren.
Vorzugsweise enthält die thermoplastische Formmasse A ein durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifiziertes Styrol-Copolymer, welches, bis auf den Zusatz der Monomere A-l, im Wesentlichen aus denselben Monomeren aufgebaut ist wie das „normale Styrol-Copolymer", wobei der Monomergehalt +/- 5%, das Molekulargewicht +/- 20% und der Schmelzflussindex (bestimmt bei einer Temperatur von 220 °C und einer Beladung von 10 kg nach dem ISO Verfahren 1 133) +/- 20% abweichen. Unter ISO Verfahren 1 133 wird bevorzugt DIN EN ISO 1 133-1 :2012-03 verstanden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Schmelzflussrate (Melt Volume Rate, MVR) der als Polymermatrix eingesetzten thermoplastische Polymerzusammen- Setzung A 10 bis 70 cm3/10min, bevorzugt 12 bis 70 cm3/10min, insbesondere 15 bis 55 cm3/10 min bei 220°C/10kg (gemessen nach IS01 133).
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Schmelzflussrate (Melt Volume Rate, MVR) der als Polymermatrix eingesetzten thermoplastische Polymerzusammensetzung A 10 bis 35 cm3/10min, bevorzugt 12 bis 30 cm3/10min, insbesondere 15 bis 25 cm3/10 min bei 220°C/10kg (gemessen nach IS01 133).
Alternativ kann die Schmelzflussrate (Melt Volume Rate, MVR) der als Polymermatrix eingesetzten thermoplastische Polymerzusammensetzung A 35 bis 70 cm3/10min, bevorzugt 40 bis 60 cm3/10min, insbesondere 45 bis 55 cm3/10 min bei 220°C/10kg (gemessen nach IS01 133), betragen.
Alternativ oder zusätzlich kann die mittels eines Kapillarviskosimeters ermittelte Visko- sitätszahl (J = (η/η0-1 ) ■ 1/c) der als Polymermatrix eingesetzten thermoplastische Polymerzusammensetzung A, gemessen bei Raumtemperatut (20°C) für in Dimethylfor- mamid gelöstes Granulat, 50 bis 100 ml/g betragen, bevorzugt 55 bis 85 ml/g. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Viskositätszahl 55 bis 75 ml/g, bevorzugt 60 bis 70 ml/g, insbesondere 61 bis 67 ml/g. Gemäß einer alternativen bevorzug- ten Ausführungsform beträgt die Viskositätszahl 60 bis 90 ml/g, bevorzugt 65 bis 85 ml/g, insbesondere 75 bis 85 ml/g.
Geeignete Herstellverfahren für Komponente A sind die Emulsions-, Lösungs-, Masseoder Suspensionspolymerisation, bevorzugt ist die Lösungspolymerisation (siehe GB 1472195).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Komponente A nach der Herstellung nach dem Fachmann bekannten Verfahren isoliert und vorzugsweise zu Granulat verarbeitet. Danach kann die Herstellung der Werkstoff-Schicht w erfolgen. Komponente B
Die Werkstoff-Schicht w enthält mindestens 5 Gew.-%, bezogen auf die Werkstoff- Schicht w, der Verstärkungsfaser B (Komponente B). Die Verstärkungsfaser B ist in der Werkstoff-Schicht w bevorzugt von 5 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 bis 65 Gew.-%, oftmals von 25 bis 65 Gew.-% und insbesondere von 29,9 bis 61 ,9 Gew.- %, bezogen auf die Werkstoff-Schicht w, enthalten.
Die Verstärkungsfaser B wird vorzugsweise als Flächengebilde F eingesetzt. Die Verstärkungsfaser B kann jede Faser sein, deren Oberfläche funktionelle Gruppen B-l aufweist, die mit den Monomeren A-l der Komponente A, welche eine chemisch reaktive Funktionalität aufweisen, eine kovalente Bindung eingehen können.
Flächengebilde F können bevorzugt Gewebe, Matten, Vliese, Gelege oder Gewirke sein. Alternativ liegen die Verstärkungsfasern B als Endlosfasern (einschließlich Fasern die das Produkt einer Einzelfaserverdrillung sind) vor. Die Verstärkungsfasern B sind daher bevorzugt keine Kurzfasern („chopped fibers") und der Faserverbund- Werkstoff W ist bevorzugt kein kurzglasfaserverstärkter Werkstoff. Mindestens 50 % der Verstärkungsfasern B weisen dabei bevorzugt eine Länge von mindestens 5 mm, stärker bevorzugt mindestens 10 mm oder mehr als 100 mm, auf. Die Länge der Verstärkungsfasern B hängt auch von der Größe des Formteils T ab, das aus dem Faserverbund-Werkstoff W hergestellt wird.
Dem Fachmann ist bekannt, dass sich Flächengebilde F (daher etwa Gewebe, Matten, Vliese, Gelege oder Gewirke) von Kurzfasern unterscheiden, da bei ersteren zusammenhängende, größere Gebilde vorliegen, die in der Regel länger als 5 mm sein werden. Der Fachmann weiß, dass hierbei die Flächengebilde F bevorzugt so vorliegen, dass sie den Faserverbund-Werkstoff W (und somit auch das daraus hergestellte Bauteil T) (weitgehend) durchziehen. Weitgehend durchziehen bedeutet hierbei, dass die Flächengebilde F mehr als 50%, bevorzugt mindestens 70%, insbesondere mindestens 90%, der Länge des Faserverbund-Werkstoffs W durchziehen. Die Länge ist hierbei die größte Ausdehnung in einer der drei Raumrichtungen. Stärker bevorzugt durchziehen die Flächengebilde F mehr als 50%, bevorzugt mindestens 70%, insbesondere mindestens 90%, der Fläche des Faserverbund-Werkstoffs W. Die Fläche ist hierbei der Fläche der größten Ausdehnung in zwei der drei Raumrichtungen. Der Faserverbund-Werkstoffs W ist bevorzugt ein (weitgehend) flächiger Faserverbund-Werkstoffs W (daher auch das Formteil T bevorzugt ein flächiges Formteil T).
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die funktionellen Gruppen B-l an der Ober- fläche der Verstärkungsfaser B ausgewählt aus Hydroxy-, Ester- und Aminogruppen. Besonders bevorzugt sind Hydroxy-Gruppen.
Gemäß einer stärker bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungsfasern B Glasfasern, die Hydroxygruppen in Form von Silanolgruppen als funktionelle Gruppen B-l an der Oberfläche aufweisen.
Die Verstärkungsfasern B können in beliebiger Orientierung und Anordnung in die Werkstoff-Schicht w eingebettet sein. Die Verstärkungsfasern B liegen in der Werkstoff-Schicht w nicht statistisch gleichverteilt vor, sondern in Ebenen mit höherem und solchen mit niedrigerem Anteil (daher als mehr oder weniger separate Lagen). Vorzugsweise wird von einem laminatartigen oder laminaren Aufbau der Werkstoff-Schicht w ausgegangen.
Die Verstärkungsfasern B können etwa als Gewebe, Matten, Vliese, Gelege oder Gewirke vorliegen.
Derartig gebildete flächige Laminate enthalten schichtweise aufgebaute Verbünde aus flächigen Verstärkungslagen (aus Verstärkungsfasern B) und Lagen der diese benet- zenden und zusammenhaltenden Polymer-Matrix, enthaltend mindestens eine thermoplastischer Formmasse A.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungsfasern B schichtweise in die Werkstoff-Schicht w eingebettet. Bevorzugt liegen die Verstärkungsfasern B als Flächengebilde F vor.
In einem Gelege liegen die Fasern ideal parallel und gestreckt vor. Es werden zumeist Endlosfasern eingesetzt. Gewebe entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, beispielsweise von Rovings. Das Verweben von Fasern geht zwangsläufig mit einer Ondulation der Fasern einher. Die Ondulation bewirkt insbesondere eine Absenkung der faserparallelen Druckfestigkeit. Matten bestehen meist aus Kurz- und Langfasern, die locker über ein Bindemittel miteinander verbunden werden. Durch den Einsatz von Kurz- und Langfasern sind die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus Matten denen von Geweben unterlegen. Vliese sind Gebilde aus Fasern begrenzter Länge, Endlosfasern (Filamenten) oder geschnittenen Garnen jeglicher Art und jeglichen Ursprungs, die auf irgendeine Weise zu einem Vlies zusammengefügt und auf irgendeine Weise miteinander verbunden worden sind. Gewirke sind Fadensysteme durch Maschenbildung. Das Flächengebilde F ist bevorzugt ein Gelege, ein Gewebe, eine Matte, ein Vlies oder ein Gewirke. Besonders bevorzugt ist als Flächengebilde F ein Gelege oder ein Gewebe.
Komponente C
Als weitere Komponente C enthält die eingesetzte Werkstoff-Schicht w gegebenenfalls 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 0 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Summer der Komponenten A bis C, eines oder mehrerer, zu den Komponenten A und B unterschiedlicher Additive (Hilfs- und Zusatzstoffe). Teilchenförmige mineralische Füllstoffe, Verarbeitungshilfsmittel, Stabilisatoren, Oxida- tions-Verzögerer, Mittel gegen Wärmezersetzung und Zersetzung durch ultraviolettes Licht, Gleit- und Entformungsmittel, Flammschutzmittel, Farbstoffe und Pigmente und Weichmacher sind zu nennen. Auch Ester als niedermolekulare Verbindungen sind zu nennen. Gemäß der vorliegenden Erfindung können auch zwei oder mehr dieser Verbindungen verwendet werden. Im Allgemeinen liegen die Verbindungen mit einem Molgewicht kleiner 3000 g/mol, vorzugsweise kleiner 150 g/mol vor. Teilchenförmige mineralische Füllstoffe können zum Beispiel durch amorphe Kieselsäure, Carbonate wie Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat (Kreide), gepulverter Quarz, Glimmer, unterschiedlichste Silikate wie Tone, Muskovit, Biotit, Suzoit, Zinn- maletit, Talkum, Chlorit, Phlogopit, Feldspat, Calciumsilikate wie Wollastonit oder Kaolin, besonders kalzinierter Kaolin zur Verfügung gestellt werden.
Unter UV-Stabilisatoren fallen beispielsweise verschiedene substituierte Resorcine, Salicylate, Benzotriazole und Benzophenone, die im Allgemeinen in Mengen bis zu 2 Gew.-% eingesetzt werden können. Erfindungsgemäß können der thermoplastischen Formmasse Oxidationsverzögerer und Wärmestabilisatoren zugesetzt werden. Sterisch gehinderte Phenole, Hydrochino- ne, substituierte Vertreter dieser Gruppe, sekundäre aromatische Amine, gegebenenfalls in Verbindung mit phosphorhaltigen Säuren bzw. deren Salze, und Mischungen dieser Verbindungen, vorzugsweise in Konzentrationen bis zu 1 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Mischung, sind einsetzbar.
Ferner können gemäß der Erfindung Gleit- und Entformungsmittel, die in der Regel in Mengen bis zu 1 Gew.-% der thermoplastischen Masse zugesetzt werden. Zu nennen sind hier Stearinsäure, Stearylalkohol, Stearinsäurealkylester und -amide, vorzugswei- se Irganox®, sowie Ester des Pentaerythrits mit langkettigen Fettsäuren. Es können die Calcium-, Zink- oder Aluminiumsalze der Stearinsäure sowie Dialkylketone, zum Beispiel Distearylketon, eingesetzt werden. Weiterhin können auch Ethylenoxid- Propylenoxid-Copolymere als Gleit- und Entformungsmittel verwendet werden. Ferner könne natürliche sowie synthetische Wachse verwendet werden. Zu nennen sind PP- Wachse, PE-Wachse, PA-Wachse, gepfropfte PO-Wachse, HDPE-Wachsen, PTFE- Wachse, EBS-Wachse, Montanwachs, Carnauba- und Bienenwachse.
Flammschutzmittel können sowohl halogenhaltige als auch halogenfreie Verbindungen sein. Geeignete Halogenverbindungen, wobei bromierte Verbindungen den chlorierten vorzuziehen sind, bleiben bei der Herstellung und Verarbeitung der erfindungsgemäßen Formmasse stabil, so dass keine korrosiven Gase freigesetzt werden und die Wirksamkeit dadurch nicht beeinträchtigt wird. Bevorzugt werden halogenfreie Verbindungen, wie zum Beispiel Phosphorverbindungen, insbesondere Phosphinoxide und Derivate von Säuren des Phosphors und Salze von Säuren und Säurederivaten des Phosphors, verwendet. Besonders bevorzugt enthalten Phosphorverbindungen Ester-, Alkyl-, Cycloalkyl- und/oder Aryl-Gruppen.
Ebenfalls geeignet sind oligomere Phosphorverbindungen mit einem Molekulargewicht kleiner 2000 g/mol wie zum Beispiel in EP-A 0 363 608 beschrieben.
Ferner können Pigmente und Farbstoffe enthalten sein. Diese sind allgemein in Mengen von 0 bis 15, bevorzugt 0,1 bis 10 und insbesondere 0,5 bis 8 Gew.-%, bezogen auf die Summer der Komponenten A bis C, enthalten. Die Pigmente zur Einfärbung von Thermoplasten sind allgemein bekannt, siehe zum Beispiel R. Gächter und H. Müller, Taschenbuch der Kunststoffadditive, Carl Hanser Verlag, 1983, S. 494 bis 510. Als erste bevorzugte Gruppe von Pigmenten sind Weißpigmente zu nennen wie Zinkoxid, Zinksulfid, Bleiweiß (2 PbC03.Pb(OH)2), Lithopone, Antimonweiß und Titandioxid. Von den beiden gebräuchlichsten Kristallmodifikationen (Rutil- und Anatas-Typ) des Titan- dioxids wird insbesondere die Rutilform zur Weißfärbung der erfindungsgemäßen Formmassen verwendet.
Schwarze Farbpigmente, die erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind Eisenoxidschwarz (Fe304), Spinellschwarz (Cu(Cr,Fe)204), Manganschwarz (Mischung aus Mangandioxid, Siliciumoxid und Eisenoxid), Kobaltschwarz und Antimonschwarz sowie besonders bevorzugt Ruß, der meist in Form von Furnace- oder Gasruß eingesetzt wird (siehe hierzu G. Benzing, Pigmente für Anstrichmittel, Expert-Verlag (1988), S. 78ff). Selbstverständlich können zur Einstellung bestimmter Farbtöne anorganische Buntpigmente wie Chromoxidgrün oder organische Buntpigmente wie Azopigmente und Phthalocyanine erfindungsgemäß eingesetzt werden. Derartige Pigmente sind allgemein im Handel erhältlich. Weiterhin kann es von Vorteil sein, die genannten Pigmente bzw. Farbstoffe in Mischung einzusetzen, zum Beispiel Ruß mit Kupferphtha- locyaninen, da allgemein die Farbdispergierung in den Thermoplasten erleichtert wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäß ver- wendete Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich-Struktur aufgebaut aus:
A) 10 bis 70 Gew.-% thermoplastische Werkstoff-Schicht w, enthaltend
a) 30 bis 95 Gew.-% der thermoplastischen Formmasse A,
b) 5 bis 70 Gew.-% der Verstärkungsfasern B,
c) 0 bis 40 Gew.-% mindestens eines Additivs C, und B) 30 bis 90 Gew.-% mindestens einer weiteren thermoplastischen Schicht T und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S,
wobei die Verstärkungsfasern B in Form eines Geleges, eines Gewebes, einer Matte, eines Vlieses oder eines Gewirkes in einem durch Maleinsäureanhydrid modifizierten Styrol-Copolymer als Formmasse A eingesetzt werden und
wobei die Werkstoff-Schicht w optional mehr als drei Schichten enthält.
Gemäß einer spezifischen Ausführungsform ist der erfindungsgemäß verwendete Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur aufgebaut aus:
A) 10 bis 70 Gew.-% thermoplastische Werkstoff-Schicht w einer Dicke von <100 mm, enthaltend. a) 30 bis 95 Gew.-% einer thermoplastischen, amorphen Formmasse A, ba- sierend auf einem durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifizierten Styrol-Copolymer, wobei die chemisch reaktive Funktionalität der thermoplastischen Formmasse A bevorzugt basiert auf ,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Komponente A, an Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Maleinsäureanhydrid, N-Phenylmaleinimid und Glycidyl-(meth)acrylat. b) 5 bis 70 Gew.-% der Verstärkungsfasern B, , wobei die Verstärkungsfasern B an der Oberfläche eine oder mehrere chemisch reaktive Funktionalitäten aus der Gruppe Hydroxy-, Ester- und Amino-Gruppen enthalten, wobei die Verstärkungsfasern B bevorzugt in Form eines Geleges, eines Gewebes, einer Matte, eines Vlieses oder eines Gewirkes eingesetzt werden. c) 0 bis 40 Gew.-% mindestens eines Additivs C, und
wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist, und
wobei die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung des Werkstoff-
Schicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und
B) 30 bis 90 Gew.-% mindestens einer weiteren thermoplastischen Schicht T und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S, die optional mit mindestens einer Kurz-, Lang- oder Endlosfaser S, insbesondere mit Carbon- oder Basaltfasern, verstärkt ist, wobei die Werkstoff -Schicht w optional eine Verrippung und/oder mehr als drei Schichten aufweist.
Thermoplastische Schicht T und Schaumstoff-Schicht S
Die thermoplastische Schicht T und/oder Schaumstoff-Schicht S ist bzw. sind im Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich-Struktur von 10 bis 99 Gew.-%, vorzugsweise von 20 bis 95 Gew.-%, besonders bevorzugt von 30 bis 90 Gew.-%, oftmals von 35 bis 85 Gew.-%, bezogen auf den Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich-Struktur, ent- halten.
Für die thermoplastische Schicht T kommen die dem Fachmann bekannten thermoplastischen Kunststoffe in Frage. Beispielsweise können Styrol-Copolymere wie Acryl- nitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS), Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN), Styrol- Methylmethacrylat-Copolymere (SMMA) und Acrylester-Styrol-Acrylnitril-Copolymere (ASA), Polyolefin-Copolymere wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), Polycarbo- nat-Copolymere (PC), Polyethylenterephthalat-Copolymere (PET), Polyetherether- keton-Copolymere (PEEK) und Polyvinylchlorid-Copolymere (PVC) als Komponente T verwendet werden.
Die thermoplastische Schicht T wird bevorzugt durch Spritzgießverfahren und Extrusi- on verarbeitet.
In einer weiteren Ausführungsform kann die thermoplastische Schicht T durch den Ein- bau von Kurz-, Lang oder Endlosfasern oder durch entsprechende Carbon- bzw. Basaltfasern verstärkt werden. Die thermoplastische Schicht T kann bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 10 Gew.-%, an Fasern zur Verstärkung enthalten. Kurzfasern weisen eine durchschnittliche Länge von 30 bis 100 mm auf. Langfasern weisen eine durchschnittliche Länge von 100 bis 1000 mm und Endlosfasern (auch Filamente ge- nannt) eine durchschnittliche Länge von mindestens 1000 mm auf. Auch Superkurzfasern mit einer Länge von wenigen Millimetern können eingesetzt werden.
Die polymere Schaumstoff-Schicht S weist eine poröse zelluläre Struktur auf, wobei die Zellen offen, miteinander verbunden oder geschlossen sein können. Zum Schäumen eignen sich fast alle bekannten Kunststoffe.
Die Schaumstoff-Schicht S kann physikalisch, chemische oder mechanisch geschäumt werden. Beim physikalischen Schäumen wird das Material durch einen physikalischen Vorgang wie Druck- oder Temperatur-Änderung geschäumt. Physikalische Triebmittel können beispielsweise die Gase Kohlendioxid oder Stickstoff sein. Beim chemischen Schäumen wird dem Kunststoffgranulat ein Treibmittel, meist in Form eines so genannten Masterbatchgranulates, zugegeben. Chemische Triebmittel können beispielsweise eine Mischung aus Natriumbicarbonat und Zitronensäure oder Carbodiimid sein. Durch Wärmezufuhr spaltet sich ein flüchtiger Bestandteil des Treibmittels ab, was zum Aufschäumen der Schmelze führt. Beim mechanischen Schäumen wird beispielsweise Luft in das zu schäumende Harz oder die Paste eingerührt. Durch Vernetzen des Harzes oder durch Gelieren der Paste verfestigt sich dieser Schaumstoff. Thermoplastische Schäume wie PS-E (expandiertes Polystyrol), PP-E (expandiertes Polypropylen), PE-E (expandiertes Polyethylen) und PVC-E (expandiertes Polyvinylchlorid), elastomere Schäume wie PUR-Weichschaum (Polyurethan-Weichschaum), NBR (Nitrilkautschuk bzw. Nitril-Butadien-Kautschuk) und duroplastische Schäume wie PUR-Hartschaum (Polyurethan-Hartschaum), PF (Phenoplast) sind zu nennen.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Sandwich-Struktur sowohl mindestens eine thermoplastische Schicht T als auch mindestens eine Schaumstoff-Schicht S.
Herstellung und Verwendung der Sandwich-Struktur
Die Werkstoff-Schicht w ist in dem Faserverbund-Werkstoff (Organoblech) W mit Sandwich-Struktur von 1 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 80 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 bis 70 Gew.-%, oftmals von 15 bis 65 Gew.-%, bezogen auf den Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich-Struktur, enthalten.
Vorzugsweise werden die Werkstoff-Schichten w der Organobleche W mit Sandwich- Struktur im Spritzgieß- oder Pressverfahren verarbeitet. Somit kann durch eine Funktionsintegration, z.B. das Anspritzen oder Anpressen von Funktionselementen, ein wei- terer Kostenvorteil generiert werden, da auf weitere Montageschritte, z.B. das Anschweißen von Funktionselementen, verzichtet werden kann.
Das Verfahren zur Herstellung einer Sandwich-Struktur umfasst die Schritte: (i) Bereitstellen von:
(A) mindestens einer thermoplastischen Formmasse A als Matrix M, enthaltend mindestens ein Copolymer A-1 , das Monomere A-l enthält (sowie optional ein oder mehrere weitere (Co)polymere (A-a) und/oder (A-b)); (B) mindestens einer Verstärkungsfaser B, deren Oberfläche funktionelle Gruppen B-l aufweist, die mit den Monomeren A-l, eine kovalente Bindung eingehen können;
(C) optional mindestens einem Additiv C;
(ii) Schmelzen der thermoplastischen Formmasse A und Inkontakt-Bringen dieser mit mindestens einer Verstärkungsfaser B aus Schritt (i);
(iii) Reagieren mindestens eines Teils der Monomere A-l des Copolymers A-1 mit mindestens einem Teil der funktionellen Gruppen B-l der mindestens einen
Verstärkungsfaser B aus Schritt (ii) unter Ausbildung kovalenter Bindungen;
(iv) optional die Herstellung eines Formteils T; (v) optional Aushärten des aus einem der Schritte (iii) oder (iv) erhaltenen Produkts; und
(vi) Inkontakt-Bringen der unter den Schritten (i) bis (iii), (iv) oder (v) erhaltenen Werkstoff-Schicht w mit mindestens einer thermoplastischen Schicht T und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S.
Das Herstellungsverfahren der Werkstoff -Schicht w kann die bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen üblichen Phasen der Imprägnierung, Konsolidierung und Solidifi- kation (Verfestigung) umfassen, wobei der Prozess über die Wahl der Temperatur, des Drucks und der angewandten Zeiten beeinflusst werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält (oder besteht aus) die Werkstoff- Schicht w: a) 30 bis 95 Gew.-%, oftmals 38 bis 70 Gew.-%, mindestens eine thermoplastische Formmasse A,
b) 5 bis 70 Gew.-%, oftmals 29,9 bis 61 ,9 Gew.-%, mindestens eine Verstärkungsfaser B, und
c) 0 bis 40 Gew.-%, oftmals 0,1 bis 10 Gew.-% mindestens ein Additiv C.
Schritt (ii) des Verfahrens, das Schmelzen der thermoplastischen Formmasse A und das Inkontakt-Bringen dieser Schmelze mit den Verstärkungsfasern B, kann auf jede hierzu geeignete Weise erfolgen. Bei einer solchen Imprägnierung kann die Matrix M in einen fließfähigen Zustand überführt werden und die Verstärkungsfasern B unter Ausbildung einer Grenzschicht benetzt werden.
Schritte (ii) und (iii) können auch gleichzeitig durchgeführt werden. Dann findet unmit- telbar beim Inkontakt-Bringen der thermoplastischen Formmasse A mit den Verstärkungsfasern B eine chemische Reaktion statt, bei der die Monomere A-l mit der Oberfläche der Verstärkungsfasern B (in der Regel über eine Bindung an die funktionellen Gruppen B-l) eine kovalente Bindung ausbilden. Dies kann beispielhaft eine Veresterung sein (z.B. die Veresterung von Maleinsäureanhydrid-Monomeren mit Silanolgrup- pen einer Glasfaser). Alternativ kann die Ausbildung einer kovalenten Bindung auch in einem gesonderten Schritt initiiert werden (z.B. durch Temperaturerhöhung, Radikalstarter und/oder Photo-Initiation). Dies kann bei jeder geeigneten Temperatur durchgeführt werden. Die Schritte (ii) und/oder (iii) werden bei einer Temperatur von mindestens 200°C, bevorzugt mindestens 250°C, stärker bevorzugt mindestens 300°C, insbesondere bei 300°C-340°C durchgeführt.
Hierbei ist bevorzugt darauf zu achten, dass möglichst keine Pyrolyse auftritt und die verwendeten Komponenten thermisch nicht (oder nur wenig (daher zu <50 %)) zersetzt werden. Eine Ausnahme kann hierbei darstellen: eine Zusammensetzung, die durch thermische Abspaltung reaktive Gruppen freisetzt, wie beispielsweise tert- Butyl(meth)acrylat, wobei durch thermische Elimination bei Temperaturen von etwa ab 200 °C Isobuten freigesetzt wird und die verbleibende funktionelle Gruppe (im Wesent- liehen eine Säurefunktion) dann mit der Faseroberfläche reagieren kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt daher bei der Durchführung der Schritte (ii) und/oder (iii) die Verweildauer bei Temperaturen von > 200°C nicht mehr als 10 min, bevorzugt nicht mehr als 5 min, stärker bevorzugt nicht mehr als 2 min, insbesondere nicht mehr als 1 min. Oftmals reichen 10 bis 60 Sekunden für die thermische Behandlung aus.
Das Verfahren, insbesondere die Schritte (ii) und (iii), könne grundsätzlich bei beliebigem Druck durchgeführt werden (bevorzugt atmosphärischer Druck oder Überdruck), mit und ohne Anpressen der Komponenten. Bei einem Anpressen mit Überdruck können die Eigenschaften der Werkstoff-Schicht w verbessert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden daher die Schritte (ii) und/oder (iii) bei einem Pressdruck von 5-100 bar und einer Presszeit von 10-60 s, bevorzugt bei einem Pressdruck von 10-30 bar und einer Presszeit von 15-40 s, durchgeführt. Vorzugsweise werden mit mindestens einer chemisch reaktiven Funktionalität (A-l) versehene Styrol-Copolymere, also amorphe thermoplastische Matrices, als thermoplastische Formmasse A verwendet. Somit kann die Oberflächenqualität, für die nachfolgend beschriebenen Anwendungen, im Vergleich zu den teilkristallinen Thermoplasten für derartige Verkleidungsteile wesentlich gesteigert werden, da durch die geringe- re Schwindung der amorphen Thermoplaste die Oberflächentopologie, aufgrund der faserreichen (Kreuzungspunkt bei Geweben) und faserarmen Regionen, wesentlich verbessert wird.
Bei der Konsolidierung werden Lufteinschlüsse in der Werkstoff-Schicht w vermindert und eine gute Verbindung zwischen thermoplastischer Formmasse A und Verstärkungsfasern B (insbesondere, wenn es sich um schichtenweise Verstärkungsfasern Fasern B handelt) hergestellt. Bevorzugt ist es, nach Imprägnierung und Konsolidierung einen (möglichst weitgehend) porenfreien Materialverbund zu erhalten. Alternativ können die genannten Schritte (i) bis (iii), (iv) oder (v) in getrennter Abfolge ausgeführt werden. Beispielsweise können zunächst Lagen aus Verstärkungsfasern B mit unterschiedlich vorbereiteten Verstärkungsfasern B vorbereitet werden, wobei eine Imprägnierung der Verstärkungsfasern B mit der Matrix aus thermoplastischer Formmasse A stattfindet. Danach können imprägnierte Lagen mit Verstärkungsfasern B mit unterschiedlicher Faser-Matrix-Haftung vorliegen, die in einem weiteren Arbeitsschritt zu einem Materialverbund als Werkstoff-Schicht w konsolidiert werden können.
Bevor die Lagen aus Verstärkungsfasern B mit der Matrix aus thermoplastischer Formmasse A laminiert werden, kann wenigstens ein Teil der Verstärkungsfasern B einer Vorbehandlung unterzogen werden, in deren Verlauf die spätere Faser-Matrix- Haftung beeinflusst wird. Die Vorbehandlung kann beispielsweise einen Beschich- tungsschritt, einen Ätzschritt, einen Wärmebehandlungsschritt oder einen mechanischen Oberflächenbehandlungsschritt enthalten. Insbesondere kann beispielsweise durch Erhitzen eines Teils der Verstärkungsfasern B ein bereits aufgebrachter Haft- vermittler teilweise entfernt werden.
Die Verstärkungslagen können beim Herstellungsprozess (Laminieren) vollständig miteinander verbunden werden. Derartige Faserverbund-Werkstoff-Matten bieten opti- mierte Festigkeit und Steifigkeit in der Faser-Richtung und können besonders vorteilhaft weiterverarbeitet werden.
Das Verfahren kann auch die Herstellung eines Formteils T umfassen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren als weiteren Schritt (iv) eine dreidimensionale Formgebung zu einem Formteil T.
Dies kann auf beliebige Art erfolgen, etwa durch mechanische Formgebung durch einen Formgebungskörper, der auch eine Walze mit Prägung sein kann. Bevorzugt wird die noch formbare Werkstoff-Schicht w, bei dem die thermoplastische Formmasse A noch (teilweise) geschmolzen vorliegt geformt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine ausgehärtete Werkstoff-Schicht w kaltgeformt werden.
Bevorzugt wird am Ende des Verfahrens ein (weitgehend) festes Formteil T erhalten.
Bevorzugt umfasst daher das Verfahren als weiteren Schritt (v) das Aushärten des aus einem der Schritte (iii) oder (iv) erhaltenen Produkts.
Dieser Schritt kann auch als Solidifikation bezeichnet werden. Die in der Regel unter Wärmeentzug stattfindende Solidifikation kann anschließend zu einem gebrauchsfertigen Formteil T führen. Optional kann das Formteil T noch nachbearbeitet werden (z.B. entgratet, poliert, gefärbt usw.).
Das Verfahren kann kontinuierlich, semikontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren als kontinuierliches Verfahren durchgeführt, insbesondere als kontinuierliches Verfahren zu Herstellung von glatten oder dreidimensional geprägten Folien. Alternativ könne auch Formteile T semi- oder diskontinuierlich hergestellt werden. Bevorzugt weist die Werkstoff-Schicht w eine Dicke von <100 mm, insbesondere von < 20 mm, vorzugsweise von <10 mm, besonders von < 5 mm auf.
Der entsprechende Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich Struktur weist eine Dicke von wobei die Werkstoff-Schicht w eine Dicke von <1000 mm, vorzugsweise von <100 mm, oftmals von <10, besonders von < 4 mm auf.
Die Werkstoff-Schichten w besitzen eine amorphe, thermoplastische Matrix M. Diese können im Spritzgießverfahren mit einer Verrippung angebracht werden, auf einen geschäumten, thermoplastischen Kern oder auf einen Wabenkern als Deckschichten aufkaschiert (verschweißt) werden. Die Verbesserung der Bauteilsteifigkeit durch eine Verrippung (Bildung einer gerippten Struktur) wird durch die Vergrößerung des Flächenträgheitsmomentes begründet. Generell beinhaltet die optimale Rippendimensionierung produktionstechnische, ästheti- sehe und konstruktive Gesichtspunkte.
Die Verstärkungsfasern B können schichtweise als Lagen von (oder als Flächengebilde F aus) Verstärkungsfasern B in einem einzigen Verarbeitungsschritt mit der Matrix M, enthaltend eine thermoplastische Formmasse A, imprägniert und konsolidiert werden. Die Herstellung der Werkstoff-Schicht w kann auf diese Weise in besonders effizienter Art erfolgen.
Ein Vorteil der Styrol-Copolymere als amorphe Thermoplaste (z.B. SAN) ist die teilweise hohe Kratzfestigkeit dieser Werkstoffe W. Dies hat in den nachfolgend beschriebe- nen Anwendungsbeispielen den Vorteil, dass die Verkleidungsteile bei der Montage und im späteren Gebrauch nicht verkratzen.
Die benötigte Steifigkeit und Festigkeit der Werkstoff-Schicht w wird durch einen Sandwichverbund oder z. B. durch eine Verrippung erreicht.
Als Kernmaterial im Sandwichverbund kann sowohl ein Schaumkern (z.B. Rohacell von Evonik), als auch ein Wabenkern (z.B. Honeycomps von EconCore) eingesetzt werden. Um hierbei einen stoffschlüssigen Verbund zwischen Werkstoff-Schicht w und Kern zu erreichen, besteht der Kern aus einem chemisch verträglichen Thermoplast, um so mittels Wärme ein Verschweißen zu erzielen und ein Kaschieren im Produkti- onsprozess zu ermöglichen.
Eine bevorzugte Möglichkeit, eine ausreichende Steifigkeit für beispielsweise Abdeckung zu erreichen, ist das Hinterspritzen bzw. Hinterpressen einer Verrippung im Spritzgießprozess bzw. im Pressverfahren.
Um auch hier eine stoffschlüssige Anbindung zwischen den Rippen und der Werkstoff- Schicht w zu erreichen, sollte eine geeignete thermoplastische Formmasse, insbesondere eines der o.g. Styrol-Copolymere genutzt werden. Vorzugsweise wird eine SAN, ABS oder ASA- basierte thermoplastische Formmasse verwendet.
Durch eine Funktionsintegration kann im Spritzgießprozess ein weiterer Kostenvorteil entstehen. So können beispielsweise Montageschritte eingespart werden, in dem Halter, Führungen, Arretierungen, Schnapphaken usw. direkt mit angespritzt werden können. In einer weiteren Ausführungsform, ist vorgesehen, dass weitere Gruppen von Verstärkungsfasern B über weitere, abweichende Faser-Matrix-Haftungen mit der Matrix M gekoppelt sind.
Werden drei oder mehr Gruppen von Verstärkungsfasern B mit unterschiedlichen Faser-Matrix-Haftungen verwendet, kann das Verhalten der Werkstoff-Schicht w und somit auch des Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur, gezielt und höchst individuell beeinflusst werden. Dabei können jeweils unterschiedliche Faserarten oder gleiche Faserarten verwendet werden.
Beispielsweise können Gruppen von Verstärkungsfasern B jeweils mit verschiedenen Haftvermittler-Kompositionen versehen sein, welche die verschiedenen Faser-Matrix- Haftungen bewirken. Die unterschiedlichen Kompositionen können sich ausschließlich in den Konzentrationen unterscheiden oder auch andere Zusammensetzungen aufweisen. Wesentlich ist, dass durch die unterschiedlichen Haftvermittler-Kompositionen signifikant verschiedene Faser-Matrix-Haftungen eingestellt werden.
Bereits bei der Herstellung der Verstärkungsfasern kann der Haftvermittler als Teil der Schlichte aufgebracht werden. Es kann jedoch auch ein zusätzlicher Vorgang des thermischen Entschlichtens oder sonstiger Entschlichtung vorgesehen sein, der die bereits aufgebrachte Schlichte zerstört oder entfernt. Anschließend kann dann die Verstärkungsfaser mit einem Finish beschichtet werden, die den Haftvermittler enthält und auf die jeweilige Matrix und die gewünschte Faser-Matrix-Haftung abgestimmt ist. Al- ternativ können auch Kunststoffschichten verwendet werden.
Beispielsweise können bei der erfindungsgemäßen Werkstoff-Schicht w Haftvermittler verwendet werden, die vernetzungsfähige Polyether-urethan- und Polyester-urethan- Polymere enthalten, welche als Filmbildner wirken, zusammen mit einem Aminosilan- Haftvermittler.
In Schritt (vi) werden die mindestens eine thermoplastische Schicht T und/oder mindestens eine Schaumstoff-Schicht S mit der Werkstoff-Schicht w in Kontakt gebracht, vorzugsweise durch Lamination oder (Co)Extrusion.
Des Weiteren kann durch eine zusätzliche amorphe thermoplastische Schicht T auf der Werkstoff-Schicht w und einem Vlies, welches mindestens eine Grammatur von 50 g/m2 aufweist und zwischen Werkstoff-Schicht w und thermoplastischer Schicht T ei- gebettet ist, mittels der Werkzeugwand eine Narbung abgeformt werden, womit die Oberfläche zusätzlich funktionalisiert werden kann (Kratzfestigkeit, Kaschieren von Einfallstellen). Je nach Bedarf kann die zusätzliche thermoplastische Schicht T deckend eingefärbt werden, so dass sich optisch keine Werkstoff-Schicht w vermuten lässt, oder man kann gezielt durch den Einsatz einer transparenten Schicht einen so- genannten„fiber-look" hervorrufen.
Durch den Einsatz von Werkstoff-Schichten w im Sandwichverbund oder mittels Ver- rippung kann eine Kostenreduzierung erreicht werden und gleichzeitig das Gewicht gesenkt werden, was zum einen die Montage des Bauteils und zum anderen die des Gerätes erleichtern kann.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Organoblechen W mit Sandwich- Strukturen als Ersatz von Metallen können die Kosten und das Gewicht reduziert werden, da die Dichte der enthaltenen Organobleche W mit Sandwich-Struktur wesentlich geringer ist und die fehlende Steifigkeit, im Vergleich zum Stahl, durch eine Verrippung oder einen Sandwichaufbau kompensiert werden kann. Die Verrippung besteht vorzugsweise aus einem Spritzgießmaterial, welches eine stoffschlüssige Anbindung zur Werkstoff-Schicht w gewährleistet und so ein hohes Widerstandsmoment entstehen lässt. Bei dem Sandwichaufbau besteht ebenfalls eine Ähnlichkeit, so dass auch hier ein stoffschlüssiger Verbund entsteht. Alternativ kann der Schaumkern mit den Decklagen verklebt werden oder es wird durch eine zusätzliche thermoplastische Schicht T auf der Werkstoff-Schicht w eine Verkrallung in der Schaumstruktur hervorgerufen.
Anwendungen der Sandwich-Struktur können beispielsweise wie folgt sein:
Die erfindungsgemäßen Werkstoff-Schichten w werden in Verbindung mit weiteren Schichten eingesetzt. Beispielhaft seien folgende Aufbauten genannt (w = erfindungsgemäße Werkstoff-Schicht, S = Schaumstoff-Schicht, T = thermoplastische Schicht): w-X,
w-X-w,
X-w-X, oder
w-X-w-X, wobei X für T und/oder S steht.
Optional kann die thermoplastische Schicht T durch Einbau von Kurz- Lang- oder Endlosglasfasern oder entsprechende Carbon- bzw. Basaltfasern verstärkt sein. Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform umfasst die Verbindung von Werkstoff-Schicht w mit einer Schaumstoff-Schicht S, wobei die Schaumstoff-Schicht S durch Extrusion, Coextrusion, Lamination oder durch Schaumspritzguß hergestellt wird. Die Schaumstoff-Schicht S bestehen aus thermoplastischen Formmassen, die durch chemische (z.B. Natriumbicarbonat/Zitronensäure, Carbodiimid) oder physikalische Treibmittel (z.B. C02, N2) hergestellt wurden.
Figuren Figur 1 zeigt die Faserverbund-Werkstoff-Schichten w, die nach Versuchs-Nr. 1 erhalten wurden. Figur 1A stellt die visuelle Dokumentation dar. Figur 1 B zeigt die mikroskopische Ansicht eines Schnitts durch den in horizontaler Orientierung angeordneten laminaren Faserverbund-Werkstoff-Schicht w (links: 25-fache Vergrößerung, rechts: 50-fache Vergrößerung), wobei die Fasern deutlich als horizontal verlaufende dunkle Schicht zwischen den hellen Schichten aus thermoplastischer Formmasse erkennbar sind. Figur 1 C zeigt die 200-fache Vergrößerung, wobei erkennbar wird, dass die Imprägnierung an einigen Stellen nicht abgeschlossen ist.
Figur 2 zeigt die Faserverbund-Werkstoff-Schichten w, die nach Versuchs-Nr. 2 erhal- ten wurden. Figur 2A stellt die visuelle Dokumentation dar. Figur 2B zeigt die mikroskopische Ansicht eines Schnitts durch den in horizontaler Orientierung angeordneten laminaren Faserverbund-Werkstoff-Schichten w (links: 25-fache Vergrößerung, rechts: 50-fache Vergrößerung), wobei die Fasern deutlich als verlaufende dunkle Schicht zwischen den hellen Schichten aus thermoplastischer Formmasse erkennbar sind. Figur 2C zeigt die 200-fache Vergrößerung, wobei erkennbar wird, dass die Imprägnierung teilweise nicht abgeschlossen ist.
Figur 3 zeigt die Faserverbund-Werkstoff-Schichten w, die nach Versuchs-Nr. 3 erhalten wurden. Figur 3A stellt die visuelle Dokumentation dar. Figur 3B zeigt die mikro- skopische Ansicht eines Schnitts durch den in horizontaler Orientierung angeordneten laminaren Faserverbund-Werkstoff-Schichten w (links: 25-fache Vergrößerung, rechts: 50-fache Vergrößerung), wobei keine Schicht aus Fasern erkennbar ist. Figur 3C zeigt die 200-fache Vergrößerung, wobei erkennbar wird, dass die Imprägnierung weitgehend abgeschlossen ist.
Figur 4 zeigt die Faserverbund-Werkstoff-schichten w, die nach Versuchs-Nr. 4 erhalten wurden. Figur 4A stellt die visuelle Dokumentation dar. Figur 4B zeigt die mikroskopische Ansicht eines Schnitts durch die in horizontaler Orientierung angeordnete laminare Faserverbund-Werkstoff-Schicht w (links: 25-fache Vergrößerung, rechts: 50- fache Vergrößerung), wobei keine Schicht aus Fasern erkennbar ist. Figur 4C zeigt die 200-fache Vergrößerung, wobei erkennbar wird, dass die Imprägnierung an einzelnen Stellen nicht vollständig abgeschlossen ist. Figur 5 zeigt die Faserverbund-Werkstoff-Schichten w, die nach Versuchs-Nr. 5 erhalten wurden. Figur 5A stellt die visuelle Dokumentation dar. Figur 5B zeigt die mikroskopische Ansicht eines Schnitts durch den in horizontaler Orientierung angeordneten laminaren Faserverbund-Werkstoff -Schicht w (links: 25-fache Vergrößerung, rechts: 50-fache Vergrößerung), wobei keine Schicht aus Fasern erkennbar ist. Figur 4C zeigt die 200-fache Vergrößerung, wobei erkennbar wird, dass die Imprägnierung an wenigen Stellen nicht vollständig abgeschlossen ist.
Figur 6 zeigt die Herstellung der Faserverbund-Werkstoff -Schichten w (hier: Glasfaser- Gewebe) im Presseneinlauf V25-V28. Deutlich erkennbar ist, dass ein derartiges Her- stellungsverfahren eine kontinuierliche Produktion erlaubt. Zudem ist durch die Einprä- gung des Musters erkennbar, dass der Faserverbund-Werkstoff-Schicht w auch dreidimensional formbar ist.
Figur 7 zeigt schematisch die Entstehung von unerwünschter Bildung von Oberflä- chenwellen (Textur).
Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen, Figuren und Ansprüchen näher beschrieben. Beispiele
Die nachfolgenden Versuche wurden auf einer handelsüblichen Intervall-Heißpresse, welche in der Lage ist einen Faser/Folienverbund aus Polymerfolie, Schmelze oder Pulver herzustellen, zur quasi-kontinuierlichen Herstellung von faserverstärkten ther- moplastischen Halbzeugen, Laminaten und Sandwichplatten durchgeführt.
Plattenbreite: 660 mm
Laminat-Dicke: 0,2 bis 9,0 mm
Laminat-Toleranzen: max. ± 0,1 mm entsprechend Halbzeug
Sandwichplattenstärke: max. 30 mm
Ausstoß: ca. 0,1 - 60 m/h, abhängig von Qualität und Bauteildicke
Nennvorschub 5 m/h
Werkzeugdruck: Presseinheit 5-25 bar, für minimale und maximale Werkzeuggröße stufenlos regelbar (optional) Werkzeugtemperierung: 3 Heiz- und 2 Kühlzonen
Werkzeugtemperatur: bis 400 °C
Werkzeuglänge: 1000 mm
Öffnungsweg Presse: 0,5 bis 200 mm
bevorzugte Produktionsrichtung: rechts nach links
Technische Daten der Schmelze-Plastifizierung sind:
Diskontinuierlicher Schmelze-Auftrag in Mittellage zur Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen:
Schneckendurchmesser: 35mm
Max. Hubvolumen: 192 cm3
Max. Schneckendrehzahl: 350 U/min
Max. Austragsstrom: 108 cm3/s
Max. Austragsdruck: 2406 bar spezifisch
Die beschriebenen Faserverbund-Werkstoffe W (Organobleche) mit Sandwich- Strukturen, enthaltend Werkstoff-Schicht w, insbesondere mit amorpher, thermoplastischer Matrix eignen sich besonders für die Herstellung von Formteilen. Einige Beispie- le sind nachfolgend aufgezeigt.
Wenn nicht anders erwähnt, werden die Formteile in Spritzgussverfahren hergestellt.
Herstellung der Werkstoff-Schicht m
40 Gew.-%, bezogen auf die Werkstoff-Schicht, eines Acrylnitril-Styrol- Maleinsäureanhydrid-Copolymers als thermoplastische Formmasse A (hergestellt aus: 75 Gew.-% Styrol, 24 Gew.-% Acrylnitril und 1 ,0 Gew.-% Maleinsäureanhydrid) wird mit
60 Gew.-%, bezogen auf die Werkstoff-Schicht, einer Glas-basierten Verstärkungsfaser mit chemisch reaktiver Funktionalität (Silangruppen) an der Oberfläche [GW 123- 580K2 von P-D Glasseiden GmbH] compoundiert.
Herstellung der Werkstoff-Schicht n
65 Gew.-%, bezogen auf die Werkstoff-Schicht, eines Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymer als thermoplastische Formmasse A (ABS hergestellt aus: 45 Gew.-% Butadien, 30 Gew.-% Styrol, 24 Gew.-% Acrylnitril und 1 Gew.-% Maleinsäureanhydrid) wird mit 35 Gew.-%, bezogen auf die Werkstoff-Schicht, einer Glas-basierten Verstärkungsfaser mit chemisch reaktiver Funktionalität (Silangruppen) an der Oberfläche [GW 123- 580K2 von P-D Glasseiden GmbH] compoundiert. Die Werkstoff-Schicht wird im An- schluss verrippt.
Beispiel 1 : Herstellung eines Faserverbund-Werkstoffs mit Sandwich-Struktur, enthaltend Werkstoff-Schicht m
Der Werkstoff m wird mit einem expandierten Polystyrol (X-PS; hergestellt aus Polysty- rol 158 K mit C02/Ethanol als Treibmittel) auf einem Tandem-Extruder mit einer Dicke von 10 mm coextrudiert, um eine Sandwich-Struktur zu erhalten.
Der erhaltene Faserverbund-Werkstoff mit Sandwich-Struktur weist eine Abfolge von m/X-PS/m auf.
Beispiel 2: Herstellung eines Organoblechs Sandwich-Struktur, enthaltend Werkstoff- Schicht n
Der Werkstoff n wird mit einem expandierten Polystyrol (X-PS; hergestellt aus Polystyrol 158 K mit C02/Ethanol als Treibmittel) auf einem Tandem-Extruder mit einer Dicke von 10 mm coextrudiert, um eine Sandwich-Struktur zu erhalten.
Die erhaltene Faserverbund-Werkstoff mit Sandwich-Struktur weist eine Abfolge auf von: n/X-PS/n
Die erfindungsgemäßen Organobleche mit Sandwich-Strukturen aus den Beispielen 1 und 2 sind gegenüber den entsprechenden Organoblechen ohne Sandwich-Struktur m und n robuster.
Weitere Beispiele zur Herstellung der thermoplasmatischen Faserverbund-Werkstoff- Schicht w
Gefahrene Thermoplast-Kombinationen A: A1 (Vergleich): S/AN mit 75 % Styrol (S) und 25 % Acrylnitril (AN), Viskositätszahl 60, Mw von 250.000 g/mol (gemessen via Gel Permeations Chromatographie an Standard Säulen mit monodispersen Polystyrol Eichstandards)
A2: S/AN/Maleinsäureanhydrid Copolymer mit der Zusammensetzung (Gew%): 74/25/1 , Mw von 250.000 g/mol (gemessen via Gel Permeations Chromatographie an Standard Säulen mit monodispersen Polystyrol Eichstandards)
A3: Mischung aus A2 : A1 = 2 : 1
A4: Mischung aus A2 : A1 = 1 : 2
Verwendete Faser-Textilien B:
B1 : Bidirektionales Glasfasergelege 0/90° (GF-GE) mit Flächengewicht =
590g/m2,
Schuss + Kette = 1200tex [beispielsweise KN G 590.1 von P-D Glasseiden GmbH]
B2: Glasfasergewebe Köper 2/2 (GF-KG) mit Flächengewicht = 576 g/m2,
Schuss, + Kette = 1200tex Die im Zusammenhang mit Versuchen Nr. 1 -5 gefahrenen Kombinationen und Parametereinstellungen sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt:
Tabelle 1 . Herstellungsbedingungen der Faserverbund-Werkstoff-Schichten w
Versuchs- Composite* Temperatur-Profil Pressdruck Presszeit Dicke Nr. (bar) (s) (mm)
1 (Vgl.) A1 +B1 220-240-260-160-80 20 20
1
2 (Vgl.) A1 +B1 220-280-300-160-80 25 30
1
3 A2+B1 240-300-320-160-80 20 20
1
4 A3+B1 240-300-320-160-80 20 30
1
5 A4+B1 240-300-320-160-80 20 30
1 *Komponenten A + B1 : 0.465 mm Dicke Textilaufbau, 0.653 mm Dicke Matrixaufbau, Gesamtvolumen Matrix: 22 ml, Faser-Volumenanteil: 41.6 %, Gesamtdichte Halbzeug: 1 .669 g/ml, Gesamtdicke Halbzeug: 1 .1 17 mm Versuchs-Nr. 1 (Vergleichsversuch)
Die Ergebnisse sind in Figur 1 gezeigt.
Visuelle Bewertung an der Halbzeug-Oberfläche:
Makroimprägnierung: abgeschlossen
Mikroimprägnierung: deutlich nicht abgeschlossen
Mikroskopische Bewertung im Halbzeug-Inneren:
Matrixschicht in Mittellage: deutlich erkennbar
Matrixschicht in Decklage: am Roving nicht erkennbar
Imprägnierung Kettfäden: mittig unimprägnierte Bereiche, umlaufend leicht imprägniert Imprägnierung Schussfäden: mittig deutlich unimprägnierte Bereiche, umlaufend leicht imprägniert
Lufteinschlüsse: wenig, nur im Roving
Konsolidierung: ungenügend, Beschädigung Kett- und Schussfäden
Versuchs-Nr. 2
Die Ergebnisse sind in Figur 2 gezeigt.
Visuelle Bewertung an der Halbzeug-Oberfläche:
Makroimprägnierung: abgeschlossen
Mikroimprägnierung: an mehreren Stellen nicht abgeschlossen Mikroskopische Bewertung im Halbzeug-Inneren:
Matrixschicht in Mittellage: erkennbar
Matrixschicht in Decklage: wenig am Roving erkennbar
Imprägnierung Kettfäden: mittig unimprägnierte Bereiche erkennbar, umlaufend teilweise imprägniert, teilweise unimprägniert
Imprägnierung Schussfäden: mittig unimprägnierte Bereiche, umlaufend leicht imprägniert
Lufteinschlüsse: wenig
Konsolidierung: nicht ausreichend, deutliche Beschädigung Schussfäden Versuchs-Nr. 3
Die Ergebnisse sind in Figur 3 gezeigt.
Visuelle Bewertung an der Halbzeug-Oberfläche:
Makroimprägnierung: abgeschlossen
Mikroimprägnierung: abgeschlossen
Versuch Nr. 3, Mikroskopische Bewertung im Halbzeug-Inneren:
Matrixschicht in Mittellage: nicht erkennbar
Matrixschicht in Decklage: gut erkennbar
Imprägnierung Kettfäden: kaum unimprägnierte Bereiche erkennbar, umlaufend gut imprägniert
Imprägnierung Schussfäden: kaum unimprägnierte Bereiche erkennbar, umlaufend gut imprägniert
Lufteinschlüsse: sehr viele, große Blasen erkennbar
Konsolidierung: gut, keine Beschädigungen
Versuchs-Nr. 4
Die Ergebnisse sind in Figur 4 gezeigt. Visuelle Bewertung an der Halbzeug-Oberfläche:
Makroimprägnierung: abgeschlossen
Mikroimprägnierung: überwiegend abgeschlossen
Mikroskopische Bewertung im Halbzeug-Inneren:
Matrixschicht in Mittellage: kaum erkennbar
Matrixschicht in Decklage: erkennbar
Imprägnierung Kettfäden: leicht unimprägnierte Bereiche erkennbar, umlaufend gut imprägniert
Imprägnierung Schussfäden: unimprägnierte Bereiche erkennbar, aber umlaufend imprägniert
Lufteinschlüsse: keine erkennbar
Konsolidierung: befriedigend, mittlere Beschädigungen von Schussfäden erkennbar Versuchs-Nr. 5
Die Ergebnisse sind in Figur 5 gezeigt.
Visuelle Bewertung an der Halbzeug-Oberfläche:
Makroimprägnierung: abgeschlossen Mikroimprägnierung: überwiegend abgeschlossen
Mikroskopische Bewertung im Halbzeug-Inneren:
Matrixschicht in Mittellage: nicht erkennbar
Matrixschicht in Decklage: erkennbar
Imprägnierung Kettfäden: wenig unimprägnierte Bereiche erkennbar, umlaufend gut imprägniert
Imprägnierung Schussfäden: wenig unimprägnierte Bereiche erkennbar, umlaufend gut imprägniert
Lufteinschlüsse: keine erkennbar
Konsolidierung: teilweise gut, teilweise ungenügend, lokale Beschädigungen von Schussfäden erkennbar
Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
Tabelle 2. Zusammenfassung Versuche und Bewertung
*Komponenten A + B1 : 0.465 mm Dicke Textilaufbau, 0.653 mm Dicke Matrixaufbau, Gesamtvolumen Matrix: 22 ml, Faser-Volumenanteil: 41.6 %, Gesamtdichte Halbzeug: 1 .669 g/ml, Gesamtdicke Halbzeug: 1 .1 17 mm
**1 = perfekt, 2= gut, 3=teilweise, 4= wenig, 5=schlecht/keine
Tabelle 3. Vergleich der erfindungsgemäßen Versuchseinstellungen mit herkömmli- chen Organoblechen Versuchs- Composite Maleinsäure- OberBedruckbarkeit
Nr. anhydrid- flächenmit 45 mdyne
Konzentra- güte* Tinte**
tion
(Gew %)
1 (Vgl) A1 +B1 0 2 1
2 (Vgl.) A1 +B1 0 2
3 A2+B1 1 1 -2
4 A3+B1 0,66 1 -2 1
5 A4+B1 0,33 1 -2
6 Bond Laminates 0 4-5
Composite aus ca
60 % Glasfaser- Gewebe und 40 %
Polyamid
7 Composite aus ca. 0 4-5 5
60 % Glasfaser- Gewebe und 40 %
Polypropylen
*1 = vollständig glatt, 2= weitgehend glatt, 3= leicht rau, 4= mäßig rau, 5= Fasern sind deutlich zu spüren
**1 = perfekt, 2= gut, 3=teilweise, 4= wenig, 5=schlecht/keine
Versuchs-Nr. 6
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.
Die im Zusammenhang mit Versuch Nr. 6 gefahrenen Kombinationen und Parametereinstellungen sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt:
Tabelle 4. Herstellungsbedingungen der Faserverbund-Werkstoff-Schichten w
Versuchs- Composite* Temperatur-Profil Pressdruck Presszeit Dicke Nr. (bar) (s) (mm)
4 A1 +B1 220-240-300-160-80 20 20 1
12 A3+B1 220-240-300-160-80 20 20 1
28 A1 +B2 240-300-320-160-80 20 20 1
26 A3+B2 240-300-320-160-80 20 30 1 *Komponenten A + B1 : 0.465 mm Dicke Textilaufbau, 0.653 mm Dicke Matrixaufbau, Gesamtvolumen Matrix: 22 ml, Faser-Volumenanteil: 41.6 %, Gesamtdichte Halbzeug: 1 .669 g/ml, Gesamtdicke Halbzeug: 1 .1 17 mm
Tabelle 5. Vergleich der Biegefestigkeit.
Tabelle 5 zeigt die in einer Versuchsreihe erhaltenen Faserverbund-Werkstoff- Schichten w (bzw. Faserverbund-Werkstoffe W). Es wurden jeweils reines SAN (A1 ) sowie ein S/AN/Maleinsäureanhydrid Copolymer (A2) mit einer handelsüblichen Gelege- und Gewebeverstärkung in einem identischen Prozess kombiniert und geprüft. Der Faservolumengehalt der Verbünde betrug 42%. Die verbesserte Qualität der Imprägnierung und Verbindung zwischen Faser und Matrix zeigt sich nicht an der Biegestei- figkeit, aber deutlich an der Biegefestigkeit (Bruchspannung) der untersuchten Proben.
Beispiele für Mehrschicht-Organobleche
Die beschriebenen Faserverbund-Werkstoff-Schichten w (Organobleche), insbesonde- re mit amorpher, thermoplastischer Matrix eignen sich besonders für die Herstellung von Formkörper, Folien und Beschichtungen. Einige Beispiele sind nachfolgend aufgezeigt. Wenn nicht anders erwähnt werden die Formteile in Spritzgussverfahren hergestellt. Beispiel 1 : Herstellung des Faserverbund-Werkstoffs M
40 Gew.-%, bezogen auf den Faserverbund-Werkstoff-Schichten w, eines Acrylnitril- Styrol-Maleinsäureanhydrid-Copolymers als thermoplastische Formmasse A (hergestellt aus: 75 Gew.-% Styrol, 24 Gew.-% Acrylnitril und 1 Gew.-% Maleinsäureanhydrid) wird mit 60 Gew.-%, bezogen auf die Faserverbund-Werkstoff-Schicht w, einer Glas-basierten Verstärkungsfaser mit chemisch reaktiver Funktionalität (Silangruppen) an der Oberfläche [GW 123-580K2 von P-D Glasseiden GmbH] compoundiert. Beispiel 2: Herstellung der Faserverbund-Werkstoff-Schicht N
65 Gew.-%, bezogen auf die Faserverbund-Werkstoff-Schicht w, eines Acrylnitril- Butadien-Styrol-Copolymer als thermoplastische Formmasse A (ABS hergestellt aus: 45 Gew.-% Butadien, 30 Gew.-% Styrol, 24 Gew.-% Acrylnitril und 1 Gew.-% Malein- säureanhydrid) wird mit 35 Gew.-%, bezogen auf die Faserverbund-Werkstoff -Schicht w, einer Glas-basierten Verstärkungsfaser mit chemisch reaktiver Funktionalität (Silangruppen) an der Oberfläche [GW 123-580K2 von P-D Glasseiden GmbH] compoundiert. Die Faserverbund-Werkstoff-Schicht w wird im Anschluss verrippt. Beispiel 3: Herstellung von Formteilen aus den Faserverbund-Werkstoff-Schichten M und N
Beispiel A: Waschmaschinenfenster
Beispiel B: Linsenabdeckungen
Es wird eine erhöhte Steifigkeit des Fensters und der Linsenabdeckung gegenüber entsprechenden aus Glas bestehenden Materialien beobachtet. Ferner sind die Orga- nobleche weniger empfindlich gegenüber Kratzern und Druck.
Weitere Versuche zur Biegespannung an mit Flächengebilden verstärkten Faser- Verb u n d -Wi rkstoff e n Die Komponenten sind wie oben definiert. Die Biegespannung und das Biegemodul wurden nach DIN 14125:201 1 -05 bestimmt.
Die Kombinationen und Parametereinstellungen zu dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren sind in nachfolgender Tabelle aufgeführt:
Tabelle 6: Zusammensetzungen Vgl. 1 , Vgl. 2, Vgl. 10 und Vgl. 15 sowie der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen V3 bis V9 und V1 1 bis V14. X: Gewichtsverhältnis Komponente A : B = 60 : 40 Nr. A1 A2 A3 A4 B1 B2 T [°C] t [s]
Vgl. 1 X X 260 20-30
Vgl. 2 X X 300 30-30
V3 X X 280 20-30
V4 X X 280 40
V5 X X 320 30-30
V6 X X 300 20-30
V7 X X 320 20-30
V8 X X 310 20-30
V9 X X 320 20-30
Vgl. 10 X X 320 20-30
V1 1 X X 320 20-30
V12 X X 320 20-30
V13 X X 320 20-30
V14 X X 320 20-30
Vgl. 15 X X 320 20-30
In Tabelle 6 werden die Bedingungen der durchgeführten Versuche dargestellt.
Hierbei wurden die Edukte, sowie die Temperatur und die Presszeit variiert. Der Pressdruck betrug in allen Versuchsreihen ca. 20 bar.
Tabelle 7: Mittelwerte der maximalen Biegespannung der Kett- und Schussrichtung der hergestellten Organobleche gemäß den Mischungen Vgl. 2, V5, V7, V9, Vgl. 10, V12 bis V14 und Vgl. 15, wobei die Herstellungstemperatur je mindestens 300 °C betrug.
Nr. Faserrichtung Mittelwerte der maximale Biegespannung [MPa]
Vgl. 2 Kettrichtung 21 1 ,23
Schussrichtung 184,94
V5 Kettrichtung 670,48
Schussrichtung 271 ,05
V7 Kettrichtung 590,98
Schussrichtung 301 ,21
V9 Kettrichtung 371 ,73
Schussrichtung 244,62
Vgl. 10 Kettrichtung 319,8
Schussrichtung 236,01
V12 Kettrichtung 556,15
Schussrichtung 484,24 V13 Kettrichtung 528,96
Schussrichtung 386,83
V14 Kettrichtung 513,95
Schussrichtung 413,86
Vgl. 15 Kettrichtung 423,03
Schussrichtung 301 ,40
Die in Tabelle 7 dargestellten Werte sind das Mittel von je neun Messungen.
Tabelle 7 zeigt, dass die erfindungsgemäßen Organobleche V5, V7, V9, V12, V13 und V14 eine höhere mittlere maximale Biegespannung aufweisen als die Organobleche, welche eine Matrix enthaltend 75 Gew.-% Styrol (S) und 25 Gew.-% Acrylnitril (AN), aufweist (Vgl. 10 und Vgl. 15). Auch der Vergleich von V9 mit Vgl. 10 zeigt, dass unter den gleichen Bedingungen (T=320 °C und t=30 s) das erfindungsgemäße Organoblech eine größere Biegespannung sowohl in der Kett- als auch in der Schussrichtung aufweist.
Es zeigt sich, dass durch das Verfahren zur Herstellung der Faserverbund-Werkstoff- Schicht w (und damit auch des gesamten Faserverbund-Werkstoffs W) mit einer thermoplastischen Formmasse A, Verstärkungsfasern B verbesserte Produkte erhalten werden können.
Weitere Untersuchung von Mehrschichtigen Faserverbund-Werkstoffen Technische Daten der Intervall-Heißpresse (IVHP):
Quasi-kontinuierliche Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen, Laminaten
und Sandwichplatten
Plattenbreite: 660 mm
Laminat-Dicke: 0,2 bis 9,0 mm
Laminat-Toleranzen: max. ± 0,1 mm entsprechend Halbzeug
Sandwichplattenstärke: max. 30 mm
Ausstoß: ca. 0,1 - 60 m/h, abhängig von Qualität und Bauteildicke
Nennvorschub 5 m/h
Werkzeugdruck: Presseinheit 5-25 bar, für minimale und maximale Werkzeuggröße stufenlos regelbar (optional)
Werkzeugtemperierung: 3 Heiz- und 2 Kühlzonen
Werkzeugtemperatur: bis 400 °C
Werkzeuglänge: 1000 mm Öffnungsweg Presse: 0,5 bis 200 mm
Produktionsrichtung: rechts nach links
Technische Daten der Schmelze-Plastifizierung:
Diskontinuierlicher Schmelzeauftrag in Mittellage zur Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen
Halbzeugen
Schneckendurchmesser: 35mm
Max. Hubvolumen: 192 cm3
Max. Schneckendrehzahl: 350 U/min
Max. Austragsstrom: 108 cm3/s
Max. Austragsdruck: 2406 bar spezifisch
hierbei:
Schmelzevolumne: 22 ccm
isobar = druckgesteuerter Pressprozess
isochor = volumengesteuerter Pressprozess
T [°C] = Temperatur der Temperaturzonen* (*Die Presse verfügt über 3 Heiz- und 2 Kühlzonen. Die Angabe bezieht in Produktionsrichtung)
p [bar] = Pressdruck pro Zyklus: Isochor 20
s [mm] = Wegbegrenzung Pressdicke: 1 .1 mm
Temperaturprofil: (i) 210 bis 245°C, daher ca. 220°C
(ii) 300 bis 325°C, daher ca. 300°C
(iii) 270 bis 320°C, daher ca. 280 bis 320°C
(iv) 160 bis 180°C
(v) 80°C
t [sec] = Presszeit pro Zyklus: 20-30 s
Aufbau/Laminierung: 6-lagiger Aufbau mit Schmelze-Mittelschicht; Herstellungsverfahren: Schmelze-Direkt (SD) Matrix-Komponenten A:
M1 (SAN Typ): Styrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid- (SAN-MA-) Terpolymer (S/AN/MA: 74/25/1 ) mit einem MA-Anteil von 1 Gew.-% und einem MVR von 22 cm3/10 min bei 220°C/10kg (gemessen nach IS01 133); M1 b entspricht der vorgenannten Komponente M1 , wobei der Matrix zusätzlich 2 Gew.- % Industrieruß beigemischt wurden. M2 (SAN Typ): Styrol-Acrylnitril-Maleinsäureanhydrid- (SAN-MA-) Terpolymer (S/AN/MA: 73/25/2,1 ) mit einem MA-Anteil von 2,1 Gew.-% und einem MVR von 22 cm3/10 min bei 220°C/10kg (gemessen nach IS01 133); M2b entspricht der vorgenannten Komponente M2, wobei der Matrix zusätzlich 2 Gew.- % Industrieruß beigemischt wurden.
M3 (SAN Typ): Blend aus 33 Gew.-% M1 und 67 Gew.-% des SAN-Copolymers Lu- ran VLN, daher 0,33 Gew.-% MaleinsäureanhydridMA) im gesamten Blend;
M3b entspricht der vorgenannten Komponente M3, wobei der Matrix zusätzlich 2 Gew.- % Industrieruß beigemischt wurden.
PA6: teilkristallines, leichtfließendes Polyamid Durethan B30S
PD(OD): leichtfließendes, amorphes Polycarbonat optischer Grade für optische
Discs);
Faser-Komponenten B:
Glasfilament-Kopergewebe (Kurzbezeichnungen: GF-KG(LR) bzw. LR), Köperbindung 2/2, Flächengewicht 290 g/m2, Roving EC9 68tex, Finish TF-970, Lieferbreite 1000 mm (Typ: 01 102 0800-1240; Hersteller: Hexcel, erhalten von: Lange + Ritter)
Glasfilament-Kopergewebe (Kurzbezeichnungen: GF-KG(PD) bzw. PD), Köperbindung 2/2, Flächengewicht 320 g/m2, Roving 320tex, Finish 350, Lieferbreite 635 mm (Typ: EC14-320-350, Hersteller und Lieferant: PD Glasseide GmbH Oschatz)
Glasfilament-Gelege (Kurzbezeichnung: GF-GE(Sae) bzw. Sae) 0 45 90 -45°, Flächengewicht 313 g/m2, Haupt-Roving 300tex, Finish PA-Schlichte, Lieferbreite
655mm (Typ: X-E-PA-313-655, Nr. 7004344, Hersteller und Lieferant: Saertex
GmbH&Co.KG)
Sae n.s. = Glasfilament-Gelege 300 g/m2, Herstellerbezeichnung: Saertex new sizing, +457-457+457-45°
Glasfaservlies (Kurzbezeichnung: GV50), Flächengewicht 50 g/m2, Faserdurchmesser 10 μηη, Lieferbreite 640 mm (Typ: Evalith S5030, Hersteller und Lieferant: Johns Man- ville Europe) Visuelle Bewertung
Alle hergestellten Faserverbund-Werkstoffe ließen sich jeweils als (groß)flächige Orga- nobleche in einem Endlosverfahren herstellen, die problemlos (in kaschierbare, transportübliche Maße wie etwa 1 m x 0,6 m) die zuschneidbar waren. Bei den transparen- ten Faserverbund-Werkstoffen war das eingebettete Fasermaterial bei detaillierter Betrachtung im Gegenlicht gerade erkennbar. Bei den Faserverbund-Werkstoffen mit (schwarz) eingefärbter Matrix war das eingebettete Fasermaterial auch bei näherer optischer Betrachtung im Gegenlicht nicht/kaum erkennbar. Mikroskopische Bewertung
Hierbei wurden Fehlstellen (Lunker, Einfall, etc.) über Auflichtmikroskopie und die Oberflächengüte über konfokale Laser-Scannning-Mikroskopie (LSM) bewertet. Mittels LSM wurde eine Aufsicht einer drei-dimensionalen (3D-)Höhenaufnahme (7,2 mm x 7,2 mm) des lokalen Messbereichs und eine zweidimensionalen (2D-)Darstellung der Hö- henunterschiede nach Skalierung und Anwendung verschiedener Profilfilter erstellt. Messfehler und einen generellen Verzug/Schieflage der Probe wurden durch den Einsatz von Profilfiltern (Rauschfilter und Verkippungsfilter) ausgeglichen. Das 2D- Höhenprofil der Aufnahme wurde über definierte Messlinien durch integrierte Software in Linienprofile übertragen und computer-gestützt ausgewertet.
Es wurden Faserverbund-Werkstoffe mit jeweils vier in die jeweilige Matrix eingebetteten Lagen des entsprechenden Flächengebildes an Fasern (hier GF-KG(PD)(4) bzw. Sae(4)) hergestellt. Um die Vergleichbarkeit der Proben weiter zu erhöhen, wurden auf die hergestellten Faserverbund-Werkstoffe jeweils beidseitig ein dünnes Glasfaservlies (GV50, siehe oben) aufgebracht. Dieses hatte keinen merklichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften.
Die Mittlere Wellentiefe (MW Wt) und der Raumittenwert (Ra) wurden für zahlreiche Faserverbund-Werkstoffe ermittelt. Es zeigte sich, dass die MW Wt für alle Faserver- bund-Werkstoffe, bei denen die Matrix eine funktionale Komponente enthält, die mit den Fasern reagieren kann, deutlich < 10 μηη ist, wohingegen sie bei Faserverbund- Werkstoffen mit vergleichbaren PA6- und PD(OD)-Matrices deutlich <10 μηη ist. Auch die ermittelten Raumittenwerte waren deutlich niedriger für erfindungsgemäße Faserverbund-Werkstoffe. Beispielhaft zeigen dies die untenstehenden, gemessenen Werte.
Tabelle 8. Messergebnisse der LSM-Vermessung mit SAN-Matrixsystem - Wellentiefe (Wt) und Raumittenwert (Ra) SAN(1 ) PC(1 ) PA6(1 )
Aufbau +GF-KG(PD)(4)
Komponenten PC(OD)+ PA6+
M1 b+PD M2+PD M2b+PD M3b+PD PD PD
MW Wt 7,141 7,187 5,181 5,425 1 1 ,745 12,323
MW Ra 3,995 4,415 4,17 3,451 6,406 4,968
Ebenso deutlich wurde dies, wenn anstelle des Gewebes ein Gelege (wie Sae) eingesetzt wird: Tabelle 9. Messergebnisse der LSM-Vermessung mit SAN-Matrixsystem - Wellentiefe (Wt) und Raumittenwert (Ra)
In weiteren Versuchen wurde die Festigkeit in Kett- und in Schussrichtung gesondert untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Faserverbund-Werkstoffe sowohl in Kett- wie auch in Schussrichtung sehr stabil sind. In Kettrichtung sind die faserverbund- Werkstoffe in der Regel noch stabiler als in Schussrichtung.
Mechanische Eigenschaften
Matrix-Komponenten A
Die Matrix-Komponenten A sind wie oben beschrieben.
Faser-Komponenten B (sofern nicht oben beschrieben)
FG290 = Glasfilament-Gewebe 290g/m2, Herstellerbezeichnung: Hexcel HexForce® 01202 1000 TF970
FG320 = Glasfilament-Gewebe 320g/m2, Herstellerbezeichnung: PD Glasseide GmbH Oschatz EC 14-320-350
Sae = MuAx313, Glasfilament-Gelege 300g/m2, Herstellerbezeichnung: Saertex X-E- PA-313-655 Sae n.s. = Glasfilament-Gelege 300g/m2, Herstellerbezeichnung: Saertex new sizing, +457-457+457-45° Anzahl an Schichten (z.B. 4x = vier Schichten des jeweiligen Fasergeleges bzw. der jeweiligen Fasern)
Hergestellt wurden folgende transparente Faserverbund-Werkstoffe, in die jeweils flächiges Fasermaterial eingebracht wurde. Die hergestellten Faserverbund-Werkstoffe wiesen jeweils eine Dicke von etwa 1 ,1 mm auf. Um die Vergleichbarkeit der Proben weiter zu erhöhen, wurden auf die hergestellten Faserverbund-Werkstoffe jeweils beidseitig ein dünnes Glasfaservlies (GV50, siehe oben) aufgebracht. Dieses hat keinen merklichen Einfluss auf die mechanischen oder optischen Eigenschaften. Für die Proben wurden folgende Biegefestigkeiten nach DIN EN ISO 14125 ermittelt:
Tabelle 10. Transparente Faserverbund-Werkstoffe - Biegefestigkeit
Hergestellt wurden zudem folgende schwarz eingefärbte Faserverbund-Werkstoffe, bei denen der Matrix 2 Gew.-% Industrieruß beigemischt und in die jeweils flächiges Fa- sermaterial eingebracht wurde. Die hergestellten Faserverbund-Werkstoffe wiesen jeweils eine Dicke von etwa 1 ,1 mm auf. Um die Vergleichbarkeit der Proben weiter zu erhöhen, wurden auf die hergestellten Faserverbund-Werkstoffe jeweils beidseitig ein dünnes Glasfaservlies (GV50, siehe oben) aufgebracht. Dieses hat keinen merklichen Einfluss auf die mechanischen oder optischen Eigenschaften. Für die Proben wurden folgende Biegefestigkeiten nach DIN EN ISO 14125 ermittelt:
Tabelle 1 1 . Intransparente Faserverbund-Werkstoffe - Biegefestigkeit
Nr. Aufbau Glasanteil Matrix Dicke E-Modul Biege[g/m2] [mm] festigkeit
F/S_1 4xFG290 1260 M2 1 ,07 21 ,61 661 ,73
F/S_2 4xFG320 1380 M2 1 ,20 22,70 673,99 F/S_3 4xSae 1352 M2 1 ,15 14,92 385,21
F/S_4 4xSae 1352 PA6 1 ,13 14,30 477,77
F/S_5 4xFG320 1380 PA6 1 ,1 1 16,95 471 ,97
Zusammenfassend zeigte sich, dass die eingesetzten Gewebe (FG290 und FG320) zu Faserverbund-Werkstoffen mit besonders hoher Biegefestigkeit verarbeitet werden können. Die erfindungsgemäßen Faserverbund-Werkstoffe, bei denen die Matrix eine mit den Fasern reagierende Komponenten (hier: Maleinsäureanhydrid (MA)) enthält, weisen eine signifikant höhere Biegefestigkeit auf als die Vergleichsformmassen ohne eine solche Komponente, wie etwa PC(OD) oder PA6.
Im Vergleich dazu wurde für den nicht-erfindungsgemäßen, mit Kurzglasfasern verstärkten Faserverbund-Werkstoff Luran 378P G7 lediglich eine Biegefestigkeit von 150 MPa gefunden, daher eine deutlich niedrigere Biegefestigkeit. Zusätzlich wurde für die Faserverbund-Werkstoffe die Schlagzähigkeit bzw. das Durchstoßverhalten (Dart Test nach ISO 6603) ermittelt. Auch hier zeigten die Faserverbund-Werkstoffe eine hohe Stabilität von Fm >3000 N. Optionale Weiterverarbeitung
Es konnte auch experimentell gezeigt werden, dass die erhaltenen Faserverbund- Werkstoffe gut zu dreidimensionalen Halbzeugen umformbar waren, wie beispielsweise zu halbschalenförmigen Halbzeugen. Es zeigte sich zudem, dass die erhaltenen Faserverbund-Werkstoffe bedruckbar und kaschierbar waren.
Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
Die Evaluierung von unterschiedlichen Textilsystemen auf Glasfaserbasis mit unterschiedlichen Matrixsystemen zu einem Faserverbund-Werkstoff (Organoblech) hat gezeigt, dass gute Faserverbund-Werkstoffe (als Organobleche und daraus hergestellten Halbzeugen) reproduzierbar hergestellt werden können. Diese können farblos oder farbig hergestellt werden. Die Faserverbund-Werkstoffe zeigten gute bis sehr gute optische, haptische und mechanische Eigenschaften (etwa bezüglich ihrer Biegefestigkeit und Durchstoßfestigkeit). Mechanisch zeigten die Gewebe etwas größere Festigkeit und Steifigkeit als Gelege. Die Styrol-Copolymer-basierten Matrices (SAN-Matrices) führten tendenziell zu besseren Faserverbund-Werkstoffen bezüglich der den mechanischen Kennwerte als die alternativen Matrices wie PC und PA6. Die erfindungsgemäßen Faserverbund-Werkstoffe ließen sich halb- bzw. vollautomatisch mittels eines Endlosverfahrens herstellen. Die erfindungsgemäßen Faserverbund-Werkstoffe (Orga- nobleche) lassen sich gut zu dreidimensionalen Halbzeugen umformen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur,
aufgebaut aus:
A) mindestens einer thermoplastischen Werkstoff-Schicht w,
enthaltend als Komponenten bei der Herstellung
a) mindestens eine thermoplastische Formmasse A als Matrix,
b) mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, und
c) optional mindestens ein Additiv C,
wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist, und
wobei die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung des Werkstoff- Schicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und
B) mindestens einer weiteren thermoplastischen Schicht T, die von der Schicht w verschieden ist, und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S, wobei diese weitere Schicht T und/oder S mit der Werkstoff-Schicht w dauerhaft verbunden ist; zur Herstellung von Formteilen.
2. Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß Anspruch 1 , wobei dieser aufgebaut aus:
A) 10 bis 70 Gew.-% thermoplastische Werkstoff-Schicht w, enthaltend
a) 30 bis 95 Gew.-% der thermoplastischen Formmasse A, b) 5 bis 70 Gew.-% der Verstärkungsfasern B,
c) 0 bis 40 Gew.-% mindestens eines Additivs C, und
B) 30 bis 90 Gew.-% mindestens einer weiteren thermoplastischen Schicht T und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S.
Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die thermoplastische Formmasse A amorph ist und auf einem, durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifizierten Styrol- Copolymer basiert.
Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die thermoplastische Formmasse A ausgewählt ist aus der Gruppe von, durch eine chemisch reaktive Funktionalität modifizierten Copolymeren, bestehend aus: Styrol-Acrylnitril-Copolymere, o Methylstyrol-Acrylnitril-Copolymere, schlagzäh modifizierte Acrylnitril-Styrol- Copolymere, insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS) und Ac- rylnitril-Styrol-Acrylester-Copolymere (ASA), sowie Blends der genannten Copolymere mit Polycarbonat oder Polyamid.
Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die chemisch reaktive Funktionalität der thermoplastischen Formmasse A basiert auf Komponenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Maleinsäureanhydrid, N-Phenylmaleinimid und Glycidyl- (meth)acrylat.
Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die thermoplastische Formmasse A von 0,1 bis 10 Gew.-% Monomere (A-l), bezogen auf die Menge an Komponente A, enthält, wobei diese Monomere eine chemisch reaktive Funktionalität aufweisen.
Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Verstärkungsfasern B an der Oberfläche eine oder mehrere chemisch reaktive Funktionalitäten aus der Gruppe Hydroxy-, Ester- und Amino-Gruppen enthalten.
Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verstärkungsfasern B aus Glasfasern bestehen, welche als chemisch reaktive Funktionalität Silanol-Gruppen an der Oberfläche enthalten.
Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verstärkungsfasern B in Form eines Geleges, eines Gewebes, einer Matte, eines Vlieses oder eines Gewirkes in einem durch Maleinsäureanhydrid modifizierten Styrol-Copolymer als Formmasse A eingesetzt werden.
10. Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Werkstoff-Schicht w eine Dicke von <100 mm, vorzugsweise von <10 mm, besonders von < 5 mm aufweist.
1 1 . Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Werkstoff-Schicht w eine Verrippung aufweist.
12. Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei der die Werkstoff-Schicht w mehr als drei Schichten enthält. 13. Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine thermoplastische Schicht T und/oder mindestens eine Schaumstoff-Schicht S durch Lamination oder (Co-)Extrusion mit der Werkstoff-Schicht w verbunden sind. H. Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die thermoplastische Schicht T mit mindestens einer Kurz-, Lang- oder Endlosfaser S, insbesondere mit Carbon- oder Basaltfasern, verstärkt ist. 15. Faserverbund-Werkstoff W mit Sandwich-Struktur, enthaltend:
A) mindestens eine thermoplastischen Werkstoff-Schicht w,
enthaltend als Komponenten bei der Herstellung
a)mindestens eine thermoplastische Formmasse A als Matrix,
b)mindestens eine Lage aus Verstärkungsfasern B, und
c)optional mindestens ein Additiv C, wobei die mindestens eine Lage der Verstärkungsfasern B in die Matrix der thermoplastischen Formmasse A eingebettet ist, und
wobei die thermoplastische Formmasse A bei der Herstellung des Werkstoff-
Schicht w mindestens eine chemisch reaktive Funktionalität aufweist, welche mit chemischen Gruppen der Oberfläche der Verstärkungsfasern B reagiert; und
B) mindestens eine weitere thermoplastische Schicht T, die von der Schicht w verschieden ist, und/oder mindestens eine Schaumstoff-Schicht S, wobei diese weitere Schicht T und/oder S mit der Werkstoff-Schicht w dauerhaft verbunden ist.
16. Verwendung eines Faserverbund-Werkstoffs W mit Sandwich-Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei dieser aufgebaut aus:
A) 10 bis 70 Gew.-% thermoplastische Werkstoff-Schicht w, enthaltend
a) 30 bis 95 Gew.-% der thermoplastischen Formmasse A, b) 5 bis 70 Gew.-% der Verstärkungsfasern B,
c) 0 bis 40 Gew.-% mindestens eines Additivs C, und B) 30 bis 90 Gew.-% mindestens einer weiteren thermoplastischen Schicht T und/oder mindestens einer Schaumstoff-Schicht S,
wobei die Verstärkungsfasern B in Form eines Geleges, eines Gewebes, einer Matte, eines Vlieses oder eines Gewirkes in einem durch Maleinsäureanhydrid modifizierten Styrol-Copolymer als Formmasse A eingesetzt werden und wobei die Werkstoff-Schicht w optional mehr als drei Schichten enthält.
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