EP3655467A1 - Türmodul - Google Patents

Türmodul

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Publication number
EP3655467A1
EP3655467A1 EP18743785.0A EP18743785A EP3655467A1 EP 3655467 A1 EP3655467 A1 EP 3655467A1 EP 18743785 A EP18743785 A EP 18743785A EP 3655467 A1 EP3655467 A1 EP 3655467A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
thermoplastic
door module
matrix
semi
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Withdrawn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
EP18743785.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas Schröer
Detlev Joachimi
Martin Wanders
dirk Bonefeld
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.)
Lanxess Deutschland GmbH
Original Assignee
Lanxess Deutschland 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 Lanxess Deutschland GmbH filed Critical Lanxess Deutschland GmbH
Publication of EP3655467A1 publication Critical patent/EP3655467A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29C45/46—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould
    • B29C45/56—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould using mould parts movable during or after injection, e.g. injection-compression moulding
    • B29C45/561—Injection-compression moulding
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    • B60J—WINDOWS, WINDSCREENS, NON-FIXED ROOFS, DOORS, OR SIMILAR DEVICES FOR VEHICLES; REMOVABLE EXTERNAL PROTECTIVE COVERINGS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES
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    • B60J5/04—Doors arranged at the vehicle sides
    • B60J5/048—Doors arranged at the vehicle sides characterised by the material
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    • C08K3/08—Metals
    • C08K2003/085—Copper

Definitions

  • the present invention relates to door modules comprising at least one single-layer, continuous fiber-reinforced fiber-matrix semifinished product obtained by impregnating semifinished fiber products with at least one thermoplastic and their use.
  • FRP Fiber reinforced plastics
  • FRPs Fiber reinforced plastics
  • the fibers give the component its mechanical properties. The highest mechanical properties are achieved when the fibers are oriented in a stretched position in the direction of the force flow.
  • particularly thin-walled components are produced which are reinforced only at predetermined locations. In the production of such FRP-based components, however, it must be ensured with great effort that the reinforcing elements do not leave their preselected position or slip unintentionally.
  • DE 602 11 521 T2 describes a door module for covering a recess cut out of the surface of the inner wall of a vehicle door, wherein the door module comprises a substantially rigid structural section made of plastic reinforced with long glass fibers, and a substantially elastic functional section made of plastic, which substantially no contains long glass fibers and which is molded in one piece with the structural portion.
  • DE 10 2004 011 136 A1 discloses a door structure with a window frame, a function carrier which can be connected to the window frame, and an outer skin arranged externally on the function carrier and optionally on the window frame, wherein in one embodiment the function carrier has a thermoplastic matrix, which preferably at least partially fiber reinforced.
  • EP 1 765 621 B1 describes a door or side module for a vehicle door or vehicle sidewall for separating a wet side from a dry side at least partially made of a fiber reinforced plastic.
  • DE 20 2006 005 797 U1 describes a door module carrier for receiving functional components of a motor vehicle door and for installation in a motor vehicle door is formed and provided and has at least two material regions consisting of a different material, which consist of different plastic materials and are produced together in a casting tool.
  • DE 10 2013 213711 A1 describes a method for producing a structural component for motor vehicles, which may also be a door module, by hot forming a preform made of thermoplastic material with embedded endless fibers in plate form (“organic sheet”), wherein for receiving the organic sheet in a hot forming device provided areas of the organic sheet and / or exposed to increased stress portions of the structural member made of the organo sheet, these more structured and / or subjected to a special thermal treatment in the hot working.
  • EP 1923420 A1 describes the typically layered structure of organic sheets, wherein a first group of reinforcing fibers is coupled to the plastic matrix via a first fiber-matrix adhesion and a second group of reinforcing fibers is coupled to the matrix via a second fiber-matrix adhesion Plastic is coupled.
  • the second fiber-matrix adhesion is less than the first fiber-matrix adhesion formed. Due to the different design of the fiber-matrix adhesion improved fracture behavior should be achieved in total failure.
  • a disadvantage of fiber-matrix semifinished products of the prior art is the not always satisfactory adhesion of the layers to one another within such a composite, and in particular the not always satisfactory adhesion of the outer layers to the lower layers.
  • This liability may be affected by temperature or frequent temperature changes.
  • the consequence is a delamination of the outer layers of a composite, which at least partially occurs over time.
  • modern door modules must withstand the constant changing of outside temperatures, but also have low-temperature stability when the door modules are installed in vehicles used in extremely cold climates.
  • Low temperatures in the sense of the present invention are temperatures
  • Object of the present invention was to provide door modules based on organo sheets that meet both the high demands on lightweight construction in vehicles, resist the frequent temperature fluctuations and at the same time characterized by high impact resistance and as far as possible by low-temperature stability, by comparison with organo sheets of the state less susceptible to delamination.
  • the semifinished fiber layers each have a basis weight in the range of 5 g / m 2 to 3000 g / m 2 , preferably in the range of 100 g / m 2 to 900 g / m 2 , particularly preferably in the range of 150 g / m 2 to 750 g / m 2 ,
  • thermoplastic having a MVR according to ISO 1133 in the range of 1 cm 3/10 min to 100 cm 3/10 min impregnated -
  • thermoplastic from the group of polyolefins, vinyl polymers, polyacrylates, polyamides, polyurethanes, polyureas, polyimides, polyesters, polyethers, polystyrenes, polyhydantoins, polyphenylene oxides (PPO), polyarylene sulfides, polysulfones, polycarbonates (PC), polyphthalamides (PPA), polymethyl methacrylates (PMMA), styrene acrylonitrile (SAN), TPO (thermoplastic elastomers based on olefins), TPU (thermoplastic polyurethanes) and polyoxymethylene (POM) are selected,
  • the fiber-matrix semifinished product a volume fraction of fiber materials defined in accordance with DIN 1310 in the range from 5 to 90% by volume, preferably in the range from 30 to 60% by volume, particularly preferably in the range from 45 to 55% by volume , and
  • single-layer fiber-matrix semi-finished products to be used in door modules have a material thickness in the range from 0.05 mm to 6 mm, more preferably in the range of 0.1 mm to 2 mm, most preferably in the range of 0.3 mm to 1, 0 mm, on.
  • the present invention also relates to a method for producing door modules, wherein a single-layer fiber-matrix semifinished product is subjected to a shaping process, then cured and removed from the negative mold of a door module.
  • Monolayer in the sense of the present invention means that it is within the fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention, which is usually initially in sheet form, ie. H. in the region between the upper surface and the lower surface, there are no regions or sections which have a volume fraction of air or gas or a volume fraction of fiber materials outside the above-mentioned or claimed areas.
  • matrix resin composition and surface resin composition as in the prior art is no longer possible due to the high degree of impregnation of the entirety of all semi-finished fiber layers with thermoplastic and the concomitant or subsequent consolidation.
  • Thermoplastic in the context of the present invention also means any mixtures of the aforementioned thermoplastics and mixtures of the aforementioned thermoplastics with at least one filler and / or reinforcing agent or additive, also referred to as compounds. All standards described in the present application are valid as of the filing date, unless otherwise stated.
  • the technical superiority of single-layer fiber-matrix semi-finished products is in the context of the present invention on the basis of the rib deduction test occupied by Kopfzugprobe, as the expert from W. Siebenpfeiffer, lightweight technologies in automotive, Springer Vieweg, 2014, pages 1 18 - 120, known is and as described in the example section.
  • the melt volumetric flow rate is used to characterize the flow behavior of a thermoplastic under certain pressure and temperature conditions. It is a measure of the viscosity of a plastic melt. From it can be concluded that the degree of polymerization, ie the average number of monomer units in a molecule.
  • the MVR according to ISO 1 133 is determined by means of a Determined capillary rheometer, wherein the material, preferably in the form of granules or powder, melted in a heated cylinder and is pressed under a pressure resulting from the contact load through a defined nozzle, preferably capillary.
  • the exiting volume or mass of the polymer melt, the so-called extrudate is determined as a function of time.
  • An essential advantage of the melt volume flow rate lies in the simple measurement of the piston travel with known piston diameter for the determination of the leaked melt volume.
  • the unit for the MVR is cm 3 / 10min.
  • Compounding or compound is a term from the field of plastics technology, which can be equated with plastic processing and describes the refining process of plastics by admixing additives, in particular fillers, additives, etc., for the targeted optimization of the property profiles.
  • the compounding is preferably carried out in extruders and includes the process operations conveying, melting, dispersing, mixing, degassing and pressure build-up.
  • the dispersion is preferably carried out by means of a melt mixing process in at least one mixing tool.
  • Mixing tools are preferably single or twin screw extruders or Banbury mixers.
  • thermoplastic composition The individual components of a thermoplastic composition are mixed in at least one mixing tool, preferably at temperatures in the range around the melting point of the at least one thermoplastic in the thermoplastic composition and discharged as a strand.
  • the strand is cooled to Granuliernote and then granulated.
  • the thermoplastic or the thermoplastic composition is usually present as granules, flakes or in the form of other macroscopic parts.
  • a "fiber” in the sense of the present invention is a macroscopically homogeneous body with a high ratio of length to its cross-sectional area
  • the fiber cross-section may be of any shape but is generally round or oval.
  • cut fibers also referred to as short fibers, having a length in the range of 0.1 to 1 mm, Long fibers with a length in the range of 1 to 50 mm and
  • Endless fibers with a length L> 50 mm Endless fibers with a length L> 50 mm.
  • Fiber lengths can be determined, for example, by microfocus X-ray computed tomography ( ⁇ -CT); J. Kastner et. al., Quantitative measurement of fiber lengths and distribution in fiber-reinforced plastic parts by means of ⁇ -X-ray computed tomography, DGZfP Annual Meeting 2007 - Lecture 47, pages 1-8.
  • Fiber-matrix semifinished products to be used according to the invention contain continuous fibers. In one embodiment, they may contain long fibers in addition to the continuous fibers.
  • semifinished fiber layers means a material which is either preferably selected from the group of fabrics, scrims including multiaxial scrims, embroidery, braids, nonwovens, felts, and mats, or which is in the form of unidirectional fiber strands
  • semifinished fiber layers also mean a mixture or combinations of two or more of the materials mentioned in this section
  • the fibers to be used are connected in such a way that at least one fiber or one fiber strand contacts at least one other fiber or another fiber strand
  • the fibers used to make the semifinished fiber layers contact one another to form a continuous mat, fabric, textile or similar structure.
  • weight per unit area refers to the mass of a material as a function of the area and in the context of the present invention refers to the dry fiber layer
  • area weight is determined according to DIN EN ISO 12127.
  • impregnated means that the at least one thermoplastic or, if appropriate, the thermoplastic composition penetrates into the depressions and cavities of the entirety of all semifinished fiber layer layers and wets the fiber material.
  • Consolidated in the sense of the present invention means that in the composite structure Air content of less than 15 vol .-% is present. Impregnation (wetting of the fiber material by the polymer composition) and consolidation (minimizing the fraction of trapped gases) may be carried out and / or performed simultaneously and / or sequentially.
  • the following symbols have the respective meaning:> means greater than or equal to, ⁇ means less than or equal to,> means greater than, ⁇ means less than.
  • a fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention is preferably characterized by the fact that these features are uniformly present in the same by the impregnation process and by the consolidation.
  • uniform describes, therefore, in particular the fact that within the fiber-matrix semifinished product according to the invention, preferably in the area between upper surface and lower surface, there are no regions or sections containing a volume fraction of air or gas or a volume fraction of fiber materials outside of have the above-mentioned or claimed areas.
  • the present invention also relates to a method for producing a door module by subjecting at least one single-layer fiber-matrix semifinished product to a shaping process as described above, then curing and removing the negative mold of a door module.
  • the fiber-matrix semifinished product is provided as a plate-shaped continuous product.
  • Such plate-shaped fiber-matrix semi-finished products can be easily cut to the desired final contour, so that little material is lost during cutting.
  • Fiber-matrix semi-finished products are the subject of extensive research and are described, for example, in Composites Technologies, The Processing of FV Thermoplastics, ETH Zurich IMES-ST, Chapter 9, Version 3.0, October 2004. While the fibers in fiber-matrix semifinished products significantly determine the mechanical properties of such a composite, such as strength and rigidity, the polymer matrix transfers the forces between the fibers, supports the fibers against buckling and protects them from external attack.
  • the fibers may, on the one hand, be oriented in one direction only (unidirectionally, eg, as a tape), perpendicular to each other in two directions (orthotropic or balanced), or quasi-isotropically placed at any desired angle to each other become.
  • Endless fibers have the advantage that they can be very stretched with a high degree of orientation and thus incorporated in larger quantities in the polymer matrix. In addition, they allow the flow of force between force application points within fiber-matrix semi-finished products alone via the fibers, which increases the mechanical performance of a component based on such continuous fiber-reinforced fiber-matrix semi-finished products.
  • Fiber-matrix semifinished products to be used according to the invention are produced by impregnating the semi-finished fiber products to be used according to the invention from endless fibers.
  • the invention therefore also relates to a method for producing a door module in that at least one single-layer fiber-matrix semifinished product is subjected to a shaping process, then cured and removed from the mold.
  • the steps of impregnating and consolidating and optionally solidifying the entirety of all semi-finished fiber layers with at least one thermoplastic or with a thermoplastic composition are preceded before the shaping step.
  • A) providing at least one thermoplastic or providing a thermoplastic composition b) providing semi-finished fiber layers of continuous fibers, c) applying the at least one thermoplastic or the thermoplastic composition to the entirety of all semi-finished fiber layers, d) impregnating the entirety of all semi-finished fiber layers at least one thermoplastic or with the thermoplastic composition, e) venting with at least one thermoplastic or
  • thermoplastic composition impregnated entirety of all semi-finished fiber layers and removal of the thermoplastic resin excess (consolidate), f) molding to the door module, g) curing of the door module from at least one thermoplastic or
  • process step h) can be followed by process step h) annealing.
  • process step i) may be followed by a further treatment of the door module at process step g) or at process step h).
  • a lamination process is used during the impregnation.
  • long fibers and / or short fibers may also be contained in the single-layer fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention.
  • the process according to the invention is particularly suitable for semi-continuous or continuous pressing processes, preferably in double-belt presses, interval heating presses or in continuous compression molding presses.
  • the inventive method is characterized by rapid impregnation and high productivity and allows fiber-matrix semi-finished products and thus door modules in high rates and low proportion of pores or air bubbles in a single process to produce.
  • thermoplastic from the group polyamide (PA), polycarbonate (PC), thermoplastic polyurethane (TPU), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene sulfide (PPS), polyphthalamide (PPA), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), Polyethylene (PE), polylactic acids (PLA), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS), styrene-acrylonitrile (SAN), polyetheretherketone (PEEK), polyetherimide (PEI), polyethersulfone (PES), polymethylmethacrylate (PMMA), polyoxymethylene (POM) and polystyrene (PS) selected or used as a base component for the thermoplastic composition.
  • Preferred vinyl polymers are to be selected from the group consisting of polyvinyl halides, polyvinyl esters and polyvinyl ethers.
  • Preferred polyolefins are polyethylene [CAS No. 9002-88-4] or polypropylene [CAS No. 9003-07-0].
  • polyesters are polyethylene terephthalate PET [CAS No. 25038-59-9] or polybutylene terephthalate PBT [CAS No. 24968-12-5].
  • Preferred polycarbonates are those based on 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane (bisphenol A), bis (4-hydroxyphenyl) sulfone (bisphenol S), dihydroxydiphenyl sulfide, Tetramethyl bisphenol A, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) -3,3,5-trimethylcyclohexane (BPTMC) or 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane (THPE).
  • BPTMC 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) -3,3,5-trimethylcyclohexane
  • THPE 1,1,1-tris (4-hydroxyphenyl) ethane
  • Particular preference is given to using a PC based on bisphenol A.
  • PPA are partially aromatic polyamides or semi-crystalline aromatic polyamides in which the amide groups are alternately bonded to aliphatic groups and to benzenedicarboxylic acid groups.
  • the amide groups are preferably bonded to terephthalic acid groups.
  • Particularly preferred PAAs according to the invention are PA 6T, PA 10T or PA 12T.
  • the relative viscosity of viscosity ⁇ ⁇ ⁇ is measured on the basis of EN ISO 307.
  • Particularly preferred polyamides are to be selected from the group PA 66, PA 6 and PA 12.
  • the used in the present application marking the polyamides corresponds to EN ISO 1874-1: 2010, partly replaced by ISO 16396-1: 2015, the first (n) Numeral (s) indicate the C atomic number of the starting diamine and the last digit (n) the C atomic number of the dicarboxylic acid. If only one number is given, as in the case of PA6, this means that it has been assumed that ⁇ , ⁇ -aminocarboxylic acid or the lactam derived therefrom, in the case of PA 6, ie ⁇ -caprolactam.
  • thermoplastic from the group PA 66 [CAS No. 32131 -17-2], PA 6 [CAS No. 25038-54-4], PA 12, PPA, polypropylene (PP), polyphenylene sulfide (PPS), TPU and PC selected for the plastic matrix of the fiber-matrix semifinished product.
  • thermoplastic from the group TPU, PA 6 and PC, in particular preferably PA 6.
  • thermoplastics to be used in the single-layer fiber-matrix semifinished product for door modules can also be used in various combinations with one another, preferably a combination of PC / ABS (ABS [CAS No. 9003-56-9]) is used.
  • at least one thermoplastic in flame-retardant form is used for the plastic matrix or as the matrix polymer of the fiber-matrix semifinished product.
  • Flame retardants preferred for the invention for polyamide-based fiber-matrix semifinished products are described in EP 1762592 A1, EP 2060596 A1, EP 2028231 A1, JP 2010 222486 A or EP 2410021 A1, the contents of which are fully included in the present application.
  • Inventively preferred flame retardants for polycarbonate-based fiber-matrix semi-finished products are described in EP 3020752 A1.
  • Flame retardants preferred according to the invention for TPU-based fiber-matrix semi-finished products are described in WO 2013/087733 A2. It is preferred to use from 0.001 to 20 parts by weight of flame retardant additive per 100 parts by weight of thermoplastic, in particular polyamide.
  • the thermoplastic may alternatively or additionally contain further additives, preferably at least one heat stabilizer.
  • Preferred thermal stabilizers are metal-based stabilizers, preferably based on copper or iron, or organic heat stabilizers, in particular polyhydric alcohols.
  • Preferred copper stabilizers are copper (I) halides, in particular copper bromide or copper iodide, which are preferably used in combination with at least one alkali metal halide, preferably potassium bromide or potassium iodide.
  • Preferred iron-based thermal stabilizers are iron powder, iron oxides or iron salts of organic acids, in particular iron citrate or iron oxalate.
  • Preferably used polyhydric alcohol is Dipentyerthrit.
  • thermoablizers in the thermoplastic or in the thermoplastic composition.
  • said heat stabilizers are used in polyamide.
  • Particular preference is given to using 100 parts by weight of thermoplastic, in particular polyamide, 0.001 to 20 parts by weight of thermal stabilizer.
  • thermoplastics to be used according to the invention for producing a thermoplastic composition for the monolayer fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention are, however, also the above-described short glass fibers and other fillers or reinforcing materials, preferably selected from the group of carbon fibers, glass beads, amorphous silica, calcium silicate, Calcium metasilicate, magnesium carbonate, kaolin, chalk, powdered quartz, mica, barium silicate, wollastonite, montmorillonite, boehmite, bentonite, vermiculite, hectorite, laponite, carbon black and feldspar. Further, hindered phenols, antioxidants, dyes, antioxidants, mold release agents, nucleating agents, plasticizers or impact modifiers are used as an additive. Preferred impact modifiers are rubber-elastic polymers.
  • the short glass fibers and optionally other fillers and reinforcing materials or additives are preferably dispersed or compounded in the thermoplastic before the application is made to the entirety of all semifinished fiber layers for the purpose of producing a monolayer fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention.
  • the dispersion is preferably carried out by melt blending.
  • Mixing tools to be used for such a melt mixing process are preferably single or twin screw extruders or Banbury mixers.
  • the additives are mixed either all at once in a single step, or stepwise and then in the melt. During the stepwise addition of the additives to the at least one thermoplastic, a portion of the additives is first added to the thermoplastic and mixed in the melt. Subsequently, further additives are added and then mixed until a homogeneous composition is obtained.
  • the entirety of all semi-finished fiber layers in the single-layer fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention is preferably based on glass fibers and / or carbon fibers, particularly preferably glass fibers.
  • glass fibers preferably silicate or non-silicate glasses are used.
  • other fibers may be contained, more preferably from the group of carbon, boron, aramid, silicon carbide, metal alloys, metal oxides, metal nitrides, metal carbides, metals and silicates and organic materials, in particular natural or synthetic polymers, preferably polyesters, polyamides or natural fibers, in particular cotton or cellulose and combinations thereof.
  • continuous fibers are preferably used in combination with at least 10 mm long long fibers.
  • the continuous fibers are preferably present in the semi-finished fiber layers as rovings, strands, yarns, threads or ropes, particularly preferably as rovings.
  • Endless fibers also referred to as endless reinforcing fibers, are understood to mean those which, as described above, generally have a length of more than 50 mm, but in particular those whose length corresponds approximately to the longitudinal extent of the respective door module to be produced.
  • the filaments continuous filament diameter in the range of 0.5 ⁇ to 25 ⁇ .
  • the determination of filament diameters and cross-sectional areas of filament yarns of glass, aramid or carbon takes place in the context of the present invention according to DIN 65571 -1: 1992-1. 1
  • the mean filament diameter is measured after removal of any sizing.
  • the determination of filament diameter and cross-sectional area of filament yarns is carried out according to DIN 65571 by optical methods either with light microscope and micrometer eyepiece (distance measurement cylinder diameter) or with light microscope and digital camera with subsequent planimetry (cross-section measurement) or by laser interferometry or by projection.
  • the average filament diameter of glass fibers can be determined according to ISO 1888.
  • the long glass fibers optionally in addition to the continuous fibers in the fiber matrix semifinished product are of flat shape with non-circular cross-sectional area, wherein the ratio of perpendicular cross-sectional axes is greater than or equal to 2, in particular greater than or equal to 3, and the smaller Cross-sectional axis has a length of> 3 ⁇ .
  • a long-glass fiber which is as rectangular as possible in cross-section is preferred in which the ratio of the cross-sectional axes is greater than 3, in particular greater than or equal to 3.5.
  • the preferably also used as a roving long glass fibers have a diameter in the range of 3 to 20 ⁇ , more preferably in the range of 3 to 10 ⁇ on.
  • Particularly preferred flat long glass fibers are used with a ratio of the cross-sectional axes in the range of 3.5 to 5.0.
  • E-glass fibers are particularly preferably used both for the continuous fibers and for the long glass fibers.
  • S-glass fibers are used, since these have a 30% higher tensile strength compared to the E glass fibers.
  • E-glass has the following properties: density 2.6 g / cm 3 at 20 ° C, tensile strength 3400 MPa, tensile modulus of elasticity 73 GPa, elongation at break 3.5-4%.
  • the fiber semi-finished layers of endless fibers to be used according to the invention give the door module the desired mechanical properties. They can be expected in their structure, but also in their number of expected loads in the door module be adapted so that this has optimum strength and / or rigidity for real load cases.
  • the semifinished fiber layers in the monolayer fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention do not form any layers that are separate from the polymer matrix, as in the prior art, but are penetrated by them so that fibers and polymer form an integral component.
  • the semi-finished fiber layers are used in the form of woven or non-woven structures.
  • semi-finished fiber sheets are used based on woven fabrics, including multiaxial fabrics, stitches, braids, nonwovens, felts, mats, a mixture of two or more of these materials, and combinations thereof.
  • Nonwovens may be selected with random fiber orientation or with aligned fiber structures. Random fiber orientations are preferably found in mats, in needled mats or as felt. Aligned fibrous structures are preferably found in unidirectional fiber strands, bidirectional fiber strands, multidirectional fiber strands, multiaxial textiles. Preferably, semi-finished fiber layers to be used according to the invention are unidirectional scrims or fabrics, in particular woven fabrics.
  • the content of carbon fibers in an inventively used for door modules, single-layer fiber-matrix semi-finished product is preferably in the range of 0.1 vol .-% to 30 vol .-%, more preferably in the range of 10 vol .-% to 30 vol. %, based on the total fiber content, the total fiber content in the fiber-matrix semifinished product to be used according to the invention being in the range from 5 to 90% by volume, preferably in the range from 30 to 60% by volume, particularly preferably in the range from 45 to 55% by vol .-% lies.
  • the fiber material or fiber braid in the semi-finished fiber layers can be oriented only in one direction or oriented in two directions at any angle to each other, preferably at right angles to each other. In order to obtain a better compatibility of the continuous fibers with the at least one thermoplastic or with the thermoplastic composition, these are preferably pretreated with a silane compound on their surface. Particular preference is given to silane compounds of the general formula (I)
  • X stands for NH 2 , carboxyl, HO or H 2 c_CH_CH r ° !
  • q is an integer from 2 to 10, preferably 3 to 4, r is an integer from 1 to 5, preferably 1 to 2 and k is an integer from 1 to 3, preferably 1.
  • silane compounds from the group consisting of aminopropyltrimethoxysilane, aminobutyltrimethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane, aminobutyltriethoxysilane and the corresponding silanes which contain a glycidyl or a carboxyl group as substituent X in formula (I), with carboxyl groups being particularly particularly preferred.
  • the equipment of the glass fibers with at least one silane compound of the formula (I) is preferably carried out in amounts of from 0.05 to 2 parts by weight of silane compound per 100 parts by weight of glass fiber.
  • the semifinished fiber layers preferably contain no comminuted fibers or particles, in particular no short fibers having a length in the range from 0.1 to 1 mm.
  • glass fibers and / or carbon fibers are used, particularly preferably glass fibers.
  • the semifinished fiber layers are provided as roll goods for method step b).
  • the at least one thermoplastic or the thermoplastic preparation is presented as granules, powder, flakes, foil or in the form of other macroscopic parts, in the form of its melt or in the form of a dispersion in a solvent.
  • Particularly preferred are powder or Films. According to the invention, preference is given to powder application or application in the form of a film, in particular powder application.
  • thermoplastic or the thermoplastic composition to the entirety of all semi-finished fiber layers in process step c) by means of conventional means, preferably by scattering, trickling, printing, spraying, spraying, impregnating, wetting in the melt, thermal spraying or flame spraying, or by fluidized bed coating process ,
  • a plurality of thermoplastic layers or layers of one or different thermoplastic compositions can be applied to the entirety of all semi-finished fiber layers.
  • the thermoplastic or the thermoplastic composition is applied in the form of a film to the entirety of all semi-finished fiber layers made of continuous fibers.
  • the application may be followed by a sintering step in which the thermoplastic or the thermoplastic composition is sintered on the entirety of all semi-finished fiber layers.
  • a sintering step in which the thermoplastic or the thermoplastic composition is sintered on the entirety of all semi-finished fiber layers.
  • the thermoplastic or the thermoplastic composition is heated, but the temperature remains below the melting temperature of the particular thermoplastic to be used. It usually comes to a shrinkage, because the thermoplastic particles of the starting material compact and pore spaces are filled in the totality of fiber semi-finished layers.
  • the applied totality of all semi-finished fiber layers in process step d) is subjected to the influence of pressure and temperature. This is preferably done by preheating the total of all semifinished fiber-fabric layers, also referred to as fiber material, charged with polymer or polymer composition outside the pressure zone.
  • thermoplastic or thermoplastic composition In method step d), the entirety of all semifinished fiber layer layers acted upon by thermoplastic or thermoplastic composition is heated in order to initiate the impregnation and consolidation of the fiber material. Due to the influence of pressure and Heat melts the at least one thermoplastic or the thermoplastic composition and penetrates the entirety of all semi-finished fiber layers, thus impregnating them.
  • pressures in the range of 2 to 100 bar, particularly preferably in the range of 10 to 40 bar, are used.
  • the temperature to be used in process step d) is> the melting temperature of the at least one thermoplastic or thermoplastic composition to be used. In one embodiment, the temperature to be used is at least 10 ° C above the melting temperature of the at least one thermoplastic to be used. In a further embodiment, the temperature to be used is at least 20 ° C. above the melting temperature of the at least one thermoplastic to be used.
  • the heating may be accomplished by a variety of means, preferably contact heating, radiant gas heating, infrared heating, convection or forced convection, induction heating, microwave heating or combinations thereof. Immediately thereafter, the consolidation takes place.
  • the impregnation depends in particular on the parameters of temperature and pressure.
  • method step d) additionally depends on time.
  • the most complete possible impregnation of the filaments of the fiber material with the at least one thermoplastic or with the thermoplastic composition is desirable in method step d).
  • Fiberglass fiber material has been found to provide a rapid rate of impregnation of fiber material from carbon fibers, resulting in an overall faster total cycle of single-layer fiber matrix semifinished products containing both glass and carbon fibers.
  • the principle of impregnation consists in impregnating a dry fiber structure with a matrix of polymer or polymer composition.
  • the flow through the semi-finished fiber product is comparable to the flow of an incompressible fluid through a porous base medium.
  • the flow is described using the Navier-Stokes equation: where p is the density, v is the velocity vector, VP is the pressure gradient and ⁇ is the viscosity of the fluid used.
  • p the density
  • v the velocity vector
  • VP the pressure gradient
  • ⁇ the viscosity of the fluid used.
  • consolidation takes place, which means the expression of entrapped air and other gases. Consolidation, too, depends in particular on the parameters of temperature and pressure and, if appropriate, on time.
  • the gases contain ambient gas (eg, air or nitrogen) and / or water (steam) and / or thermal decomposition products of the at least one thermoplastic to be used.
  • Consolidation also depends on the parameters of temperature and pressure.
  • method step e) additionally depends on time.
  • said parameters are applied until the fiber matrix semifinished product has a void content of less than 5%. It is particularly preferred that the void content be less than 5% within a period of less than 10 minutes, achieved at temperatures above 100 ° C, more preferably at temperatures in the range of 100 ° C to 350 ° C. Preferably, pressures above 20 bar are used.
  • the pressurization may be by a static process or by a continuous process (also known as a dynamic process), with a continuous process being preferred for speed reasons.
  • Preferred impregnation techniques include, without limitation, calenders, flatbed Lamination and double belt press lamination.
  • the impregnation step is preferably carried out as a lamination process. If the impregnation is carried out as lamination, it is preferable to use a cooled double-belt press (see also EP 0 485 895 B1) or an interval heating press.
  • Both properties, the degree of impregnation in process step d) and the consolidation in process step e) can be measured or checked by determining mechanical characteristics, in particular by measuring the tensile strength on composite structural specimens. To determine the tensile strength is the tensile test, a quasi-static, destructive test method, in the case of plastics according to ISO 527-4 or -5.
  • thermoplastic or thermoplastic used in the thermoplastic composition Since both the process of impregnation and the process of consolidation depends on the parameters of temperature and pressure, the skilled person will adapt these parameters to the particular thermoplastic or thermoplastic used in the thermoplastic composition. In addition, it will also adjust the period over which the pressure is applied according to the matrix polymer.
  • the fibers are completely impregnated and consolidated with thermoplastic or with thermoplastic composition, ie. the fibers are completely wetted with plastic, there is almost no air in the material.
  • the fiber composite structure or the fiber-matrix semifinished product is allowed to cool to a temperature below the melting temperature of the thermoplastic or the thermoplastic composition.
  • solidification describes the solidification of the mixture of the entirety of all semifinished fiber layers and molten matrix by cooling or by chemical crosslinking to form a solid.
  • method steps f) shaping and g) solidification are carried out simultaneously or at least in quick succession.
  • a solidification and a shaping of the single-layer fiber-matrix semifinished product preferably takes place to plate goods.
  • the monolayer fiber-matrix semi-finished product after cooling to a temperature below the melting temperature of the thermoplastic or the thermoplastic composition, preferably at room temperature (23 +/- 2 ° C), taken in the form of plate product the pressing tool.
  • the transformation to the door module is then carried out by reheating or plasticizing the type described above and by subsequent shaping. Preferably, short cycle times are used. It is crucial that the single-layer fiber-matrix semifinished product undergoes no chemical conversion during the forming.
  • thermoplastic FKV plate semi-finished products In the production of such thermoplastic FKV plate semi-finished products, a distinction is made depending on the material throughputs to be achieved in film stacking, prepreg and direct processes.
  • material throughput In the case of direct processes, the matrix and textile components are brought together directly in the region of the material inlet of the pressing process. This is usually associated with a high level of system complexity.
  • the film-stacking process is frequently used in addition to the prepreg process. In this case, a structure consisting of alternating film and textile layers undergoes the pressing process.
  • the type of pressing process is based on the required material output and the variety of materials.
  • thermoplastic or of the thermoplastic composition preferably to room temperature (23 +/- 2 ° C.)
  • room temperature 23 +/- 2 ° C.
  • the single-layer fiber-matrix semifinished product is used as a finished sheet product, this is subsequently subjected to a shaping step after its production.
  • the production processes of plastic deformation are classified according to DIN 8580 in Germany.
  • Preferred shaping processes are the compression molding process (see, for example, EP 1 980 383 A2) and stamp forming, preferably the stamping process (see: C. Hopmann, R. Schöldgen, M. Hildebrandt, Inline Impregnation Technology with Thermoplastics, Flexible Serial Production of Thermoplastic FRP Components, IKV of the RWTH Aachen, Plastverarbeiter 15.0ktober 2014).
  • the single-layer fiber-matrix semifinished product to be used is heated outside the molding tool by a heating system until it is plasticized. Then provides a transfer system for the transport of the plasticized fiber-matrix-semifinished product section from the heating system to the pressing tool, which is maintained at a constant temperature below the solidification temperature of the thermoplastic or the thermoplastic composition.
  • the fiber-matrix semifinished product cutout is then shaped in the mold to the component and passively cooled.
  • the fiber-matrix semifinished product to be produced-that is, during its production-is shaped into the desired geometry or configuration of a door module by a shaping method to be used simultaneously, ie method steps f) and g) are carried out simultaneously.
  • Preferred shaping methods for the simultaneous production thereof with a geometric design of a fiber matrix semifinished product to be produced in method step f) are compression molding, stamping, pressing or any method using heat and / or pressure. Particularly preferred are pressing and punching.
  • the pressure is applied by the use of a hydraulic molding press.
  • the fiber-matrix semifinished product is preheated to a temperature above the melting temperature of the at least one thermoplastic or thermoplastic composition and brought into the desired shape or geometry with a forming or shaping device or a molding tool, in particular at least one molding press ,
  • a forming or shaping device or a molding tool in particular at least one molding press
  • Forming processes to be used in accordance with the invention are described in Chapter 10, Pressing Methods for Continuous FV Thermoplastics, Urs Thomann, in Composites Technology, Prof. dr. Paolo Ermanni, script for the ETH Lecture 151 -0307-00L, Zurich August 2007, Version 4.0. Process step h)
  • process step h) may be followed by at least one aftertreatment.
  • the aftertreatment is an annealing step.
  • Annealing is a temperature treatment that serves to increase crystallinity to improve strength and chemical resistance, reduce internal stress caused by extrusion or machining, and increase dimensional stability over a wide temperature range.
  • the tempering also leads to the recrystallization of not completely crystallized products, on the one hand density, abrasion resistance, stiffness and hardness increase and on the other hand, a slight Nachschwindung, sometimes even a small distortion of the parts occurs.
  • the type, temperature and duration of tempering depends on the particular thermoplastic or thermoplastic composition used and on the wall thickness of the single-layer fiber-matrix semifinished product used. By means of suitable preliminary tests, the skilled person will determine the decisive parameters for method step h).
  • Suitable tempering liquids are heat-resistant mineral, paraffin and silicone oils. The tempered parts must be cooled slowly. See also: https://de.wikipedia.org/wiki/Kristallisation_(Polymer)
  • the aftertreatment is the molding of functional elements or the encapsulation of the edges of the door module.
  • the molding of further functional elements by casting or injection molding, preferably injection molding, can take place over the entire surface, partially or circumferentially.
  • Injection molding can be injection molding and / or injection molding and / or extrusion coating.
  • IMF in-mold molding
  • IMF integrative injection molding special process which is used to produce hybrid structural components made of different materials
  • a structural component is produced with particularly smooth edges.
  • a functional element to be formed is also formed by the IMF and at the same time connected to the fiber-matrix semi-finished component, in particular without Use of additional adhesives.
  • the principle of the IMF is also the subject of DE 4101106 A1, US 6036908 B, US 6475423 B1 or WO 2005/070647 A1.
  • thermoplastics preferably polyamides, in particular PA 6, PA 66 or aromatic polyamides such as polyphthalamide, polysulfone PSU, polyphenylene sulfide PPS, polyphthalamides (PPA), poly (arylene ether sulfones), such as PES, PPSU or PEI, polyester, preferably polybutylene terephthalate (PBT) or polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), polyethylene (PE) or polyimides (PI).
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PP polypropylene
  • PE polyethylene
  • PI polyimides
  • both the fiber-matrix semifinished component and the injection-molded component to be used are manufactured from the same thermoplastic polymer.
  • the matrix of the single-layer fiber-matrix semifinished product and the injection-molding component based on polyamide are particularly preferably carried out.
  • Durethan® BKV 235XCP, Durethan® 240 XCP or Durethan® BKV 55 TPX from Lanxess Deutschland GmbH, Cologne are suitable in this case and especially for door modules.
  • Preferred functional elements of the injection-molded component are fasteners or holders or other applications that do not have to be imaged by the fiber-matrix semifinished component, but rather due to possible geometrical complexity of the injection-molded component.
  • the door module obtainable according to method step e) is placed in a mold, preferably an injection mold, with a correspondingly shaped mold cavity.
  • a mold preferably an injection mold
  • it is previously plasticized in the region of attachment of the functional element.
  • the injection-molded component is injected.
  • the aim is that it comes between the thermoplastic of the fiber-matrix semi-finished component and the thermoplastic of the injection-molded component to a cohesive connection.
  • the best way to achieve such a cohesive connection by these two plastics have the same polymer base.
  • both components are based on polyamide, in particular based on polyamide 6.
  • process parameters such as melt temperature and pressure also play a role.
  • the injection molding in process step h) at a temperature in the range of 200 ° C to 320 ° C, preferably in the range of 240 ° C to 290 ° C, more preferably in the range of 240 ° C to 270 ° C, he follows.
  • injection molding in process step h) takes place at a pressure in the range from 10 bar to 2000 bar, preferably in the range from 200 bar to 1500 bar, more preferably in the range from 500 bar to 1300 bar.
  • the present invention finally relates to the use of at least one single-layer, continuous fiber-reinforced fiber-matrix semifinished product as a door module, preferably in buildings or in vehicles.
  • Preferred vehicles are motor vehicles.
  • Preferred motor vehicles are those based on internal combustion engines, electric motor vehicles or hybrid motor vehicles.
  • the present invention preferably relates to the use of single-layer fiber-matrix semifinished products
  • thermoplastic is selected from the group of polyolefins, vinyl polymers, polyacrylates, polyamides, polyurethanes, polyureas, polyimides, polyesters, polyethers, polystyrenes, polyhydantoins, polyphenylene
  • Elastomers based on olefins), TPU (thermoplastic polyurethanes) and polyoxymethylene (POM) is selected, and the fiber-matrix semifinished product has a volume fraction of fiber materials defined in accordance with DIN 1310 in the range from 5 to 90% by volume, preferably in the range from 30 to 60% by volume, particularly preferably in the range from 45 to 55% by volume, for the production of door modules, - a volume fraction of air of less than 15 vol .-%, preferably less than 10 vol .-%, more preferably less than 5 vol .-%, has, for the production of door modules.
  • An inventive door module is particularly suitable for use in vehicles, preferably in motor vehicles.
  • Door modules according to the invention are distinguished by the following properties: significantly higher energy absorption compared to a pure plastic solution, a pure metal variant, and also compared to a plastic-metal hybrid variant, each with the same weight, which has considerable significance in the event of a crash; - the components need not be reworked in comparison with duroplastic, long glass fiber reinforced materials; Compared to pure metal sheet variants and plastic-metal hybrids, no investment is needed for sheet metal forming tools;
  • Plastic components can be welded on the door module and thus other functions are closely linked to this or with its function, eg. B.
  • a door module according to the invention offers considerable advantages: lower weight (compared to plastic-metal hybrids, sheet metal, cast aluminum) - better mechanical behavior, higher energy absorption better resistance in the event of a crash even at particularly low temperatures ⁇ - 30 ° C
  • test specimens were subjected to mechanical testing Subjected to testing and from this the bond strength is determined by means of tensile tests according to EN ISO 527 for the determination of the breaking stress, the elongation at break and the modulus of elasticity at a defined temperature.
  • EN ISO 527-1 (latest edition of April 1996, current ISO version February 2012) is a European standard for plastics for determining the tensile properties, which are determined by a tensile test with a tensile tester. For this purpose, a specially designed test specimen holder was used, which allowed a simple insertion and fixation of the head tensile test specimen used under tensile load.
  • test was carried out on a universal testing machine of the type Zwick UTS 50 from Zwick GmbH & Co. KG, Ulm, whereby the force was introduced by a mechanical clamping head.
  • Each test specimen hereinafter referred to as Kopfzugprobe, consisted of a fiber-matrix-semifinished strip (55 x 40 x 2 mm 3 ) on which a rib (40 x 40 x 4 mm 3 ) of polyamide 6 was injected.
  • Polyamide 6 Injection molding grade, easy flowing, finely crystalline and very rapidly processed (BASF Ultramid B3's) with a density of 1 13 g / cm 3 and a melt flow index MVR of 160 cm 3/10 min [Measuring conditions: IS01 133, 5 kg, 275 ° C] or a relative viscosity number (0.5% in 96% H 2 S0 4 , ISO 307, 1 157, 1628) of 145 cm 3 / g.
  • Thermoplastic Matrix 2 Polyamide 6 (PA6)
  • Polyamide 6 film type, unreinforced, medium flow (BASF Ultramid® B33 L) with a density of 1.14 g / cm 3 and a relative viscosity number (0.5% in 96% H 2 S0 4 , ISO 307, 1 157, 1628) from 187-203 cm 3 / g.
  • YPC ROF RE600 Semi-finished fiber Balanced roving glass fabric consisting of 1200 tex warp and weft threads in 2/2 twill weave with a thread density of 2.5 threads / cm.
  • Fiber matrix semifinished product (1) was produced on a static hot plate press.
  • the fiber-matrix semifinished product (1) with an edge length of 420 mm x 420 mm consisted of 4 semi-finished fiber layers and a polymer amount exclusively of the thermoplastic matrix 1, which was uniformly applied to the fiber layers and distributed and in a fiber volume content of 47% or resulted in a thickness of 2.0 mm.
  • a surface pressure of 24 bar and a temperature of 300 ° C for 240s was impressed.
  • the subsequent cooling to room temperature was carried out at constant pressure in 300s.
  • the semi-finished fiber layers were thus homogeneously embedded, due to the uniform single-layer matrix system, no material / phase boundaries developed within the matrix; it could not be differentiated between internal investment material and surface material.
  • Fiber matrix semifinished product (2) as an example of a multilayer construction according to the prior art, was also produced on a static hot plate press.
  • the intended for the multi-layer structure semi-finished with an edge length of 420 mm x 420 mm consisted of 4 semi-finished fiber layers and a polymer amount exclusively of the thermoplastic matrix 1, which was evenly applied to the fiber layers and distributed and in a fiber volume content of 49% or a thickness of 1, 9 mm resulted.
  • a surface pressure of 24 bar and a temperature of 300 ° C for 240s was impressed.
  • the subsequent cooling to room temperature was carried out at constant pressure in 300s.
  • thermoplastic matrix 2 was applied to this intermediate in a subsequent process step on both sides. This was again done on a static hot plate press at a temperature of 260 ° C and a surface pressure of 9 bar, which was maintained for 120 seconds. The cooling to room temperature within 60 s was carried out at a surface pressure of 7.5 bar. Due to the different viscosities of the thermoplastic Matrizes 1 and 2, there was a non-uniform structure of the fiber-matrix semifinished product.
  • a so-called head tensile test was used as the test specimen for the mechanical testing of the bond strength between fiber-matrix semifinished product (1) or (2) and molded thermoplastic.
  • Each of these head pull specimens consisted of a fiber-matrix semifinished strip (55 x 40 x 2 mm 3 ) on which a rib (40 x 40 x 4 mm 3 ) of polyamide 6 was injected.
  • a head tension test see also W. Siebenpfeiffer,chtbau-Technologien in Automotive, Springer-Vieweg, 2014, pages 118 - 120. When Kopfzug Eat Mel then the head tension sample is clamped in a holder and loaded on one side with a tensile force. The tensile test is shown in a stress-strain diagram (modulus of elasticity).
  • the respective fiber-matrix semifinished product (1) or fiber-matrix semifinished product (2) was previously provided with an 8 mm bore at the point of the sprue, so that no additional resistance was created for the polyamide melt to be sprayed to form ribs.
  • individual sections suitable for testing were sawed out at selected positions along the flow path using a band saw type "System Flott" from Kräku GmbH, supraseifen.
  • Fiber matrix semifinished product (1) and fiber matrix semifinished product (2) were examined according to DIN 1310 with regard to the fiber volume content. For statistical reasons, 5 specimens each were examined. The mean fiber volume content described above was determined for both fiber-matrix semi-finished products. Both fiber-matrix semi-finished products were further investigated experimentally with regard to the pore content, ie the inclusion of air or gas. For this purpose, a cross-section of fiber-matrix semi-finished products (1) and fiber-matrix semi-finished products (2) was examined by means of a computer tomograph Micro CT nanotom S from the manufacturer General Electric. For statistical reasons, three test specimens were examined, each with 5 repeat measurements. By means of an optical evaluation software, a pore content of 4 - 5% could be determined for both fiber-matrix semi-finished products. For statistical reasons, three test specimens were examined, each with 5 repeat measurements.
  • Fiber matrix semifinished product (1) was experimentally examined for local fiber volume fraction.
  • a cross-section of fiber-matrix semifinished product (1) and fiber-matrix semifinished product (2) was examined by means of a computer tomograph Micro CT nanotom S of the manufacturer General Electric.
  • the glass fiber content within the samples was evaluated to a depth of 50 ⁇ m.
  • three test specimens of each fiber-matrix semifinished product were examined, on each of which 5 repetition measurements were carried out.
  • fiber-matrix semifinished product (2) up to a depth of 50 ⁇ m, no glass fibers were found, since they were all separated from the surface covered by the unfilled surface layer. Thus, the fiber volume fraction in this area was 0%.
  • fiber-matrix semi-finished product (1) no separating cover layer was determined, but the glass fiber bundles were homogeneously enclosed and to the surface before, so that even in the area between the surface to a depth of 50 ⁇ the claimed fiber volume fraction was found.
  • Table 1 Test parameters in tensile test h As a criterion for the bond strength, the maximum measured force determined in the tensile test was defined. First measurable force drops were caused by initial cracks in the material, peelings, deformations or similar effects before reaching maximum force and appeared to be unsuitable as a bond strength criterion. The maximum measured force was reached in case of failure of the head tension test; It is therefore referred to below as the breaking force. Basically, it should be noted that the maximum force in addition to the bond adhesion and the geometry can always depend on the test method and the test conditions.
  • thermoplastic matrix 1 In the case of the fiber matrix semifinished product (1) (according to the invention), in all cases a purely cohesive failure of the thermoplastic matrix 1 occurred directly at the uppermost semifinished fiber layer of the semi-finished fiber product.
  • thermoplastic matrix 1 In the case of the fiber-matrix semifinished product (2) (not according to the invention), on the other hand, a mixed fracture of cohesive and adhesive failure in the boundary layer between the thermoplastic matrix 1 and the thermoplastic matrix 2 was always observed. A cohesive failure of thermoplastic matrix 1 above the uppermost semi-finished fiber layer was not observed.
  • thermoplastic matrix 2 In the non-inventive fiber-matrix semifinished product (2) thus the near-surface layer (surface) of thermoplastic matrix 2 from the substrate consisting of semifinished fiber and thermoplastic matrix 1, demolished, while the invention, single-layer fiber-matrix semifinished product (1) no Such separation was observed within a surface-parallel layer in the thermoplastic matrix 1.
  • test results show that the maximum force in the comparisons of the two fiber-matrix semifinished products in the single-layer fiber-matrix semifinished product (1) according to the invention always turned out to be higher than in the case of the fiber-matrix semifinished product (2) with layered structure. Also, the mean value of the individual test results of the measurement series was significantly higher than that of the fiber-matrix semifinished product (2) in the single-layer fiber-matrix semifinished product (1) according to the invention.
  • the rib peel strength of the single-layer fiber-matrix semifinished product (1) according to the invention was markedly higher than that of the fiber-matrix semifinished product (2), which is why a monolayer fiber-matrix semifinished product according to the invention, used as a door module, has clear advantages over fiber According to the prior art.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Türmodule enthaltend wenigstens ein einschichtiges, endlosfaserverstärktes Faser-Matrix-Halbzeug, das man durch Imprägnieren von Faserhalbzeugen mit wenigstens einem Thermoplasten erhält und deren Verwendung in Fahrzeugen oder in Gebäuden.

Description

Türmodul
Die vorliegende Erfindung betrifft Türmodule enthaltend wenigstens ein einschichtiges, endlosfaserverstärktes Faser-Matrix-Halbzeug, das man durch Imprägnieren von Faserhalbzeugen mit wenigstens einem Thermoplasten erhält und deren Verwendung. Stand der Technik
Im heutigen Fahrzeugbau existieren Bestrebungen, Struktur- wie auch Verkleidungsteile aus faserverstärktem Kunststoff auszubilden. Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden generell im Fahrzeugbau dort eingesetzt, wo hohe Festigkeiten und Steifigkeiten gefordert werden. Grundsätzlich umfassen FVKs Verstärkungsfasern, die in einer Matrix aus Kunststoff eingebettet sind. Die Fasern verleihen dem Bauteil seine mechanischen Eigenschaften. Dabei werden die höchsten mechanischen Eigenschaften erzielt, wenn die Fasern in gestreckter Lage in Richtung des Kraftflusses orientiert sind. Um bei ausreichend hohen mechanischen Eigenschaften das Bauteilgewicht weiter zu reduzieren, werden besonders dünnwandige Bauteile erzeugt, die nur an vorbestimmten Stellen verstärkt sind. Bei der Fertigung derartiger FVK basierter Bauteile ist jedoch mit hohem Aufwand sicherzustellen, dass die Verstärkungselemente ihre vorgestimmte Position nicht verlassen bzw. ungewollt verrutschen.
DE 602 11 521 T2 beschreibt ein Türmodul zum Abdecken einer aus der Oberfläche der Innenwand einer Fahrzeugtür ausgeschnittenen Aussparung, wobei das Türmodul einen im Wesentlichen starren Strukturabschnitt aus mit langen Glasfasern verstärktem Kunststoff umfasst, sowie einen im wesentlichen elastischen Funktionsabschnitt aus Kunststoff, der im Wesentlichen keine langen Glasfasern enthält und der in einem Stück mit dem Strukturabschnitt geformt ist.
DE 10 2004 011 136 A1 offenbart einen Türaufbau mit einem Fensterrahmen, einen mit dem Fensterrahmen verbindbaren Funktionsträger, sowie einer außen an dem Funktionsträger und gegebenenfalls an dem Fensterrahmen angeordneten Außenhaut, wobei in einer Ausführungsform der Funktionsträger eine thermoplastische Matrix aufweist, welche vorzugsweise zumindest in Teilen faserverstärkt ist.
EP 1 765 621 B1 beschreibt ein Tür- oder Seitenmodul für eine Fahrzeugtür oder eine Fahrzeugseitenwand zur Trennung einer Nassseite von einer Trockenseite, das zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
DE 20 2006 005 797 U1 beschreibt einen Türmodulträger, der zur Aufnahme von Funktionskomponenten einer Kraftfahrzeugtür und zum Einbau in eine Kraftfahrzeugtür ausgebildet und vorgesehen ist und der mindestens zwei aus einem unterschiedlichen Material bestehende Materialbereiche aufweist, die aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien bestehen und gemeinsam in einem Gusswerkzeug hergestellt werden. DE 10 2013 213711 A1 beschreibt schließlich ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für Kraftfahrzeuge, das auch ein Türmodul sein kann, durch Warmumformung eines aus thermoplastischem Kunststoff mit eingelagerten Endlosfasern verstärkten Halbzeugs in Plattenform („Organoblech"), wobei zur Aufnahme des Organoblechs in einer Warmumformungseinrichtung vorgesehene Bereiche des Organoblechs und/oder einer erhöhten Belastung ausgesetzte Abschnitte des aus dem Organoblech hergestellten Strukturbauteils, diese stärker strukturiert und/oder einer besonderen thermischen Behandlung bei der Warmumformung unterzogen werden.
Die Herstellung von Organoblechen, im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Composites oder Faser-Matrix-Halbzeuge bezeichnet, ist dem Fachmann bekannt. Allen gemein ist das Einbetten von Fasermaterialien/Faserhalbzeugen in eine Kunststoffmatrix. Übliche Einbettungsverfahren sind das (Spritz-)gießen gemäß DE 102008052000 A1 , Schäumen, (Fließ-)pressen, Verpressen harzgetränkter Gewebebahnen (Prepregs) gemäß EP 0291629 A2, Pultrusion gemäß EP 2028231 A1 , Kalandrieren gemäß DE 102009053502 A1 oder Laminieren (EP 1923420 A1 ). EP 1923420 A1 beschreibt den typischerweise geschichteten Aufbau von Organoblechen, wobei eine erste Gruppe von Verstärkungsfasern über eine erste Faser-Matrix-Haftung mit der Matrix aus Kunststoff gekoppelt ist und eine zweite Gruppe von Verstärkungsfasern über eine zweite Faser- Matrix-Haftung mit der Matrix aus Kunststoff gekoppelt ist. Die zweite Faser-Matrix- Haftung ist geringer als die erste Faser-Matrix-Haftung ausgebildet. Durch die unterschiedliche Ausbildung der Faser-Matrix-Haftung soll im totalen Versagensfall ein verbessertes Bruchverhalten erzielt werden. Nachteilig jedoch an Faser-Matrix- Halbzeugen des Standes der Technik ist die nicht immer zufriedenstellende Haftung der Schichten untereinander innerhalb eines solchen Composites und insbesondere die nicht immer zufriedenstellende Haftung der Außenschichten an den tiefer gelegenen Schichten. Diese Haftung kann durch Temperatureinwirkung oder durch häufige Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden. Die Folge ist eine im Laufe der Zeit zumindest teilweise einsetzende Delamination der äußeren Schichten eines Composites. So müssen moderne Türmodule dem ständigen Wechsel von Außentemperaturen widerstehen, zusätzlich aber auch Tieftemperaturstabilität aufweisen, wenn die Türmodule in Fahrzeuge eingebaut sind, die in extrem kalten Klimazonen eingesetzt werden. Tiefe Temperaturen im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Temperaturen Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, Türmodule auf Basis von Organoblechen bereitzustellen, die sowohl die hohen Anforderungen an den Leichtbau in Fahrzeugen erfüllen, den oftmaligen Temperaturschwankungen widerstehen und gleichzeitig sich durch eine hohe Schlagzähigkeit und soweit möglich durch Tieftemperaturstabilität auszeichnen, indem sie gegenüber Organoblechen des Standes der Technik weniger zu Delamination neigen.
Erfindung
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Türmodule enthaltend wenigstens ein einschichtiges, Faser-Matrix-Halbzeug worin
- 1 bis 100 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, bevorzugt 2 bis 40 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, besonders bevorzugt 2 bis 10 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern,
- wobei die Faserhalbzeuglagen jeweils ein Flächengewicht im Bereich von 5 g/m2 bis 3000 g/m2, bevorzugt im Bereich von 100 g/m2 bis 900 g/m2, besonders bevorzugt im Bereich von 150 g/m2 bis 750 g/m2, aufweisen,
- und die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast mit einem MVR nach ISO 1 133 im Bereich von 1 cm3/10 min bis 100 cm3/10 min imprägniert ist,
- wobei der Thermoplast aus der Gruppe der Polyolefine, Vinylpolymerisate, Polyacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polystyrole, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide (PPO), Polyarylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate (PC), Polyphthalamide (PPA), Polymethylmethacrylate (PMMA), Styrolacrylnitrile (SAN), TPO (Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis), TPU (Thermoplastische Polyurethane) und Polyoxymethylene (POM) ausgewählt wird,
- und das Faser-Matrix-Halbzeug einen nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Fasermaterialien im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-%, und
- einen Volumenanteil an Luft oder Gas von weniger als 15 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 10 Vol.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Vol.-%, aufweist.
Vorzugsweise weisen erfindungsgemäß in Türmodulen einzusetzende einschichtige Faser-Matrix-Halbzeuge eine Materialstärke im Bereich von 0,05 mm bis 6 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 mm bis 1 ,0 mm, auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren zur Herstellung von Türmodulen, worin ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug einem Formgebungsprozess unterzogen, anschließend ausgehärtet und der Negativform eines Türmoduls entnommen wird.
Zur Klarstellung sei angemerkt, dass vom Rahmen der Erfindung alle aufgeführten, allgemeineren oder in Vorzugsbereichen genannten Definitionen und Parameter in beliebigen Kombinationen umfasst sind. Einschichtig im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass es innerhalb des erfindungsgemäß einzusetzenden und zumeist zunächst in Plattenform vorliegenden Faser-Matrix-Halbzeugs, d. h. im Bereich zwischen oberer Oberfläche und unterer Oberfläche, keine Bereiche oder Abschnitte gibt, die einen Volumenanteil an Luft oder Gas oder einen Volumenanteil an Fasermaterialien außerhalb der oben genannten bzw. beanspruchten Bereiche aufweisen. Eine Unterscheidung zwischen Matrixharzzusammensetzung und Oberflächenharzzusammensetzung wie im Stand der Technik ist aufgrund des hohen Grades der Imprägnierung der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit Thermoplast und der einhergehenden oder sich anschließenden Konsolidierung nicht mehr möglich. Thermoplast im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet zudem beliebige Mischungen der vorgenannten Thermoplasten sowie Mischungen der vorgenannten Thermoplasten mit wenigstens einem Füll- und/oder Verstärkungsstoff oder Additiv, auch als Compounds bezeichnet. Alle im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Normen gelten in ihrer zum Anmeldetag gültigen Fassung, sofern nicht anders angegeben. Die technische Überlegenheit einschichtiger Faser-Matrix-Halbzeuge wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung anhand des Rippenabzugtests mittels Kopfzugprobe belegt, wie sie dem Fachmann aus W. Siebenpfeiffer, Leichtbau-Technologien im Automobilbau, Springer- Vieweg, 2014, Seiten 1 18 - 120, bekannt ist und wie im Beispielteil beschrieben.
Begriffsbestimmungen Die Schmelze-Volumenfließrate (engl. MVR = Melt Volume-flow Rate) dient zur Charakterisierung des Fließverhaltens eines Thermoplasten bei bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen. Sie ist ein Maß für die Viskosität einer Kunststoffschmelze. Aus ihr lässt sich auf den Polymerisationsgrad, also die mittlere Anzahl von Monomereinheiten in einem Molekül schließen. Der MVR nach ISO 1 133 wird mittels eines Kapillarrheometers ermittelt, wobei das Material, vorzugsweise in Form von Granulat oder Pulver, in einem beheizbaren Zylinder aufgeschmolzen und unter einem durch die Auflagelast entstehenden Druck durch eine definierte Düse, vorzugsweise Kapillare, gedrückt wird. Ermittelt wird das austretende Volumen bzw. Masse der Polymerschmelze, des sogenannten Extrudats, als Funktion der Zeit. Ein wesentlicher Vorteil der Schmelze- Volumenfließrate liegt in der einfachen Messung des Kolbenwegs bei bekanntem Kolbendurchmesser zur Bestimmung des ausgetretenen Schmelzevolumens. Die Einheit für den MVR ist cm3/10min.
Compoundieren bzw. Compound ist ein Begriff aus der Kunststofftechnik, welcher mit Kunststoffaufbereitung gleichzusetzen ist und den Veredelungsprozess von Kunststoffen durch Beimischung von Zuschlagstoffen, insbesondere Füllstoffe, Additive usw., zur gezielten Optimierung der Eigenschaftsprofile beschreibt. Die Compoundierung erfolgt vorzugsweise in Extrudern und umfasst die Verfahrensoperationen Fördern, Aufschmelzen, Dispergieren, Mischen, Entgasen und Druckaufbau. Das Dispergieren erfolgt vorzugsweise mittels eines Schmelzmisch-Verfahrens in wenigstens einem Mischwerkzeug. Mischwerkzeuge sind vorzugsweise Einzel- oder Doppelschneckenextruder oder Banbury-Mischer. Die einzelnen Komponenten einer Thermoplastzusammensetzung werden in wenigstens einem Mischwerkzeug, bevorzugt bei Temperaturen im Bereich um den Schmelzpunkt des wenigstens einen Thermoplasten in der Thermoplastzusammensetzung gemischt und als Strang ausgetragen. Üblicherweise wird der Strang bis zur Granulierfähigkeit abgekühlt und dann granuliert. Der Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung liegt in der Regel schließlich als Granulat, Flakes oder in Form anderer makroskopischer Teile vor.
Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe „über", „bei" oder „etwa" sollen bedeuten, dass der danach genannte Betrag oder Wert der konkrete Wert oder ein etwa gleicher Wert sein kann. Der Ausdruck soll vermitteln, dass ähnliche Werte zu erfindungsgemäß gleichwertigen Ergebnissen oder Effekten führen und von der Erfindung mit umfasst werden.
Eine „Faser" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein makroskopisch homogener Körper mit hohem Verhältnis von Länge zu seiner Querschnittsfläche. Der Faserquerschnitt kann eine beliebige Form sein, ist aber in der Regel rund oder oval.
Gemäß „http://de.wikipedia.org/wiki/Faser-Kunststoff-Verbund" unterscheidet man
- geschnittene Fasern, auch als Kurzfasern bezeichnet, mit einer Länge im Bereich von 0,1 bis 1 mm, Langfasern mit einer Länge im Bereich von 1 bis 50 mm und
Endlosfasern mit einer Länge L > 50 mm.
Faserlängen können beispielsweise durch Microfokus-Röntgen-Computertomographie (μ- CT) bestimmt werden; J. Kastner et. al., Quantitative Messung von Faserlängen und - Verteilung in faserverstärkten Kunststoffteilen mittels μ-Röntgen-Computertomographie, DGZfP-Jahrestagung 2007 - Vortrag 47, Seiten 1 - 8. Erfindungsgemäß einzusetzende Faser-Matrix-Halbzeuge enthalten Endlosfasern. In einer Ausführungsform können sie zusätzlich zu den Endlosfasern Langfasern enthalten.
Der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriff „Faserhalbzeuglagen" bedeutet ein Material, das entweder vorzugsweise ausgewählt wird aus der Gruppe Gewebe, Gelege einschließlich Multiaxialgelege, Gesticke, Geflechte, Vliese, Filze, und Matten, oder aber das in Form unidirektionaler Faserstränge vorliegt. Ferner bedeutet Faserhalbzeuglagen erfindungsgemäß auch ein Gemisch oder Kombinationen aus zwei oder mehr der in diesem Abschnitt genannten Materialien. Zur Herstellung von Faserhalbzeuglagen sind die zu verwendenden Fasern in der Weise miteinander verbunden, dass zumindest eine Faser oder ein Faserstrang mindestens eine andere Faser oder einen anderen Faserstrang berührt, um ein kontinuierliches Material zu bilden. Oder aber, die zur Herstellung der Faserhalbzeuglagen verwendeten Fasern berühren einander in der Weise, dass eine kontinuierliche Matte, Gewebe, Textil oder ähnliche Struktur gebildet wird.
Der Begriff „Flächengewicht" bezeichnet die Masse eines Materials in Abhängigkeit von der Fläche und bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die trockene Faserschicht. Das Flächengewicht wird nach DIN EN ISO 12127 bestimmt.
„Imprägniert" bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass der wenigstens eine Thermoplast oder ggf. die Thermoplastzusammensetzung in die Vertiefungen und Hohlräume der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen eindringt und das Fasermaterial benetzt. „Konsolidiert" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass in der Verbundstruktur ein Luftanteil von weniger als 15 Vol.-% vorliegt. Imprägnierung (Benetzung des Fasermaterials durch die Polymer-Zusammensetzung) und Konsolidierung (Minimieren des Anteils eingeschlossener Gase) können gleichzeitig und / oder nacheinander erfolgen und / oder durchgeführt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben folgende Zeichen die jeweilige Bedeutung: > bedeutet größer oder gleich, < bedeutet kleiner oder gleich, > bedeutet größer als, < bedeutet kleiner als.
Zur Klarstellung sei angemerkt, dass die Einschichtigkeit durch die Gesamtheit der Merkmale hinsichtlich der Faserhalbzeuglagen, deren Flächengewicht, des einzusetzenden Thermoplasten, dem Volumenanteil an Fasern sowie dem Volumenanteil an Luft oder Gas in Bezug auf das gesamte Faser-Matrix-Halbzeug, d. h. im Bereich der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche, definiert ist. Ein erfindungsgemäß einzusetzendes Faser-Matrix-Halbzeug zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass diese Merkmale durch den Imprägnierprozess und durch die Konsolidierung einheitlich in selbigem vorliegen. Mit einheitlich wird deshalb insbesondere die Tatsache beschrieben, dass es innerhalb des erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeugs, vorzugsweise im Bereich zwischen oberer Oberfläche und unterer Oberfläche, keine Bereiche oder Abschnitte gibt, die einen Volumenanteil an Luft oder Gas oder einen Volumenanteil an Fasermaterialien außerhalb der oben genannten bzw. beanspruchten Bereiche aufweisen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren zur Herstellung eines Türmoduls, indem man wenigstens ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug wie oben beschrieben einem Formgebungsprozess unterzieht, anschließend aushärtet und der Negativform eines Türmoduls entnimmt.
Vorzugsweise wird für die Herstellung eines Türmoduls das Faser-Matrix-Halbzeug als plattenförmige Endlosware bereitgestellt. Solche plattenförmigen Faser-Matrix-Halbzeuge können einfach auf die gewünschte Endkontur zugeschnitten werden, so dass wenig Material beim Zuschnitt verloren geht.
Faser-Matrix-Halbzeuge sind Gegenstand umfangreicher Forschungen und werden beispielsweise in Composites Technologien, Die Verarbeitung von FV- Thermoplasten, ETH Zürich IMES-ST, Kapitel 9, Version 3.0, Oktober 2004, beschrieben. Während die Fasern in Faser-Matrix-Halbzeugen maßgeblich die mechanischen Eigenschaften eines solchen Verbunds, wie Festigkeit und Steifigkeit, bestimmen, überträgt die Polymermatrix die Kräfte zwischen den Fasern, stützt die Fasern gegen Ausknicken und schützt sie vor äußeren Angriffen. Die Fasern können einerseits in nur eine Richtung orientiert sein (unidirektional, z. B. als Band [engl. „Tape"]), in zwei Richtungen rechtwinklig zueinander stehen (orthotrop oder balanciert), oder quasi-isotrop in jedem gewünschten Winkel zueinander platziert werden. Endlosfasern haben den Vorteil, dass sie sehr gestreckt mit hohem Orientierungsgrad und dadurch in größeren Mengen in die Polymermatrix eingebracht werden können. Außerdem ermöglichen sie den Kraftfluss zwischen Krafteinleitungspunkten innerhalb von Faser-Matrix-Halbzeugen allein über die Fasern, was die mechanische Leistungsfähigkeit eines Bauteils auf Basis solcher endlosfaserverstärkter Faser-Matrix-Halbzeuge steigert.
Erfindungsgemäß einzusetzende Faser-Matrix-Halbzeuge werden durch Imprägnieren der erfindungsgemäß einzusetzenden Faserhalbzeuge aus Endlosfasern hergestellt. Die Erfindung betrifft deshalb auch ein Verfahren zur Herstellung eines Türmoduls, indem wenigstens ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug einem Formgebungsprozess unterzogen, anschließend ausgehärtet und der Form entnommen wird.
Wird der Herstellungsprozess des Faser-Matrix-Halbzeugs mit dem Formgebungsprozess kombiniert, werden vor dem Formgebungsschritt die Verfahrensschritte des Imprägnierens und Konsolidierens und gegebenenfalls Solidifizierens der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast oder mit einer Thermoplastzusammensetzung vorangestellt. Bevorzugt enthält der Gesamtprozess die Prozessschritte a) Bereitstellen wenigstens eines Thermoplasten oder Bereitstellen einer Thermoplastzusammensetzung, b) Bereitstellen von Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, c) Auftragen des wenigstens einen Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammenstzung auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen, d) Imprägnieren der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplasten bzw. mit der Thermoplastzusammensetzung, e) Entlüftung der mit wenigstens einem Thermoplast bzw.
Thermoplastzusammensetzung imprägnierten Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen und Entfernen des Thermoplastharzüberschusses (Konsolidieren), f) Formgebung zum Türmodul, g) Härtung des Türmoduls aus wenigstens mit einem Thermoplast bzw.
Thermoplastzusammensetzung imprägnierten und konsolidierten Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen (Solidifikation) und Entnahme aus der Form. In einer Ausführungsform kann sich an den Verfahrensschritt g) noch Verfahrensschritt h) Temperung anschließen.
In einer Ausführungsform kann sich an den Verfahrensschritt g) oder an den Verfahrensschritt h) noch der Verfahrensschritt i) eine Nachbehandlung des Türmoduls anschließen.
Vorzugsweise wendet man bei der Imprägnierung ein Laminierverfahren an. In einer Ausführungsform können zusätzlich zu den Endlosfasern noch Langfasern und/oder Kurzfasern im erfindungsgemäß einzusetzenden einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug enthalten sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut für halbkontinuierliche oder kontinuierliche Pressverfahren, vorzugsweise in Doppelbandpressen, Intervallheizpressen oder in kontinuierlichen Formpressen, geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch schnelle Imprägnierung und hohe Produktivität aus und erlaubt Faser- Matrix-Halbzeuge und damit Türmodule in hohen Raten und geringem Anteil an Poren oder Lufteinschlüssen in einem einzigen Prozess zu erzeugen.
Verfahrensschritt a)
Erfindungsgemäß wird als Thermoplast ein Thermoplast aus der Gruppe Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphthalamid (PPA), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polymilchsäuren (PLA), Acrylnitril- Butadien-Styrol (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM) und Polystyrol (PS) ausgewählt bzw. als Basiskomponente für die Thermoplastzusammensetzung eingesetzt. Bevorzugte Vinylpolymerisate sind auszuwählen aus der Gruppe Polyvinylhalogenide, Polyvinylester und Polyvinylether.
Bevorzugte Polyolefine sind Polyethylen [CAS Nr. 9002-88-4]oder Polypropylen [CAS Nr. 9003-07-0].
Bevorzugte Polyester sind Polyethylenterephthalat PET [CAS Nr. 25038-59-9] oder Polybutylenterephthalat PBT [CAS Nr. 24968-12-5].
Bevorzugte Polycarbonate sind solche auf Basis von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan (Bisphenol A), Bis(4-hydroxyphenyl)sulfon (Bisphenol S), Dihydroxydiphenylsulfid, Tetramethylbisphenol A, 1 ,1 -Bis(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan (BPTMC) oder 1 ,1 ,1 -Tris(4-hydroxyphenyl)-ethan (THPE). Besonders bevorzugt wird ein PC auf Basis von Bisphenol A eingesetzt.
PPA sind partiell aromatische Polyamide bzw. halb kristalline aromatische Polyamide, bei denen die Amidgruppen abwechselnd an aliphatische Gruppen und an Benzoldicarbonsäuren Gruppen gebunden sind. Bevorzugt sind die Amidgruppen an Therephthalsäuregruppen gebunden. Erfindungsgemäß besonders bevorzugte PAAs sind PA 6T, PA 10T oder PA 12T.
Besonders geeignet sind Polyamide mit einer relativen Lösungsviskosität in m-Kresol im Bereich von 2,0 bis 4,0, bevorzugt im Bereich von 2,2 bis 3,5, ganz besonders im Bereich von 2,4 bis 3,1 . Die Messung der relativen Lösungsviskosität ηΓβι erfolgt in Anlehnung an EN ISO 307. Das Verhältnis der Auslaufzeit t des in m-Kresol gelösten Polyamids zur Auslaufzeit t (0) des Lösungsmittels m-Kresol bei 25°C ergibt die relative Lösungsviskosität gemäß der Formel ηΓβι = t/t(0). Besonders bevorzugte Polyamide sind auszuwählen aus der Gruppe PA 66, PA 6 und PA 12. Die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung benutzte Kennzeichnung der Polyamide entspricht EN ISO 1874-1 :2010, teilweise inzwischen ersetzt durch ISO 16396-1 :2015, wobei die erste(n) Ziffer(n) die C-Atomzahl des Ausgangsdiamins und die letzte(n) Ziffer(n) die C-Atomzahl der Dicarbonsäure angeben. Wird nur eine Zahl angegeben, wie im Falle des PA6, so bedeutet dies, dass von einer α,ω-Aminocarbonsäure bzw. von dem davon abgeleiteten Lactam, im Falle des PA 6 also dem ε-Caprolactam, ausgegangen worden ist.
Besonders bevorzugt wird wenigstens ein Thermoplast aus der Gruppe PA 66 [CAS Nr. 32131 -17-2], PA 6 [CAS Nr. 25038-54-4], PA 12, PPA, Polypropylen (PP), Polyphenlyensulfid (PPS), TPU und PC für die Kunststoff matrix des Faser-Matrix- Halbzeugs ausgewählt.
Ganz besonders bevorzugt wird wenigstens ein Thermoplast aus der Gruppe TPU, PA 6 und PC ausgewählt, insbesondere bevorzugt PA 6.
Die im einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug für Türmodule einzusetzenden Thermoplaste können auch in verschiedensten Kombinationen miteinander eingesetzt werden, bevorzugt wird eine Kombination von PC/ABS (ABS [CAS Nr. 9003-56-9]) eingesetzt. Insbesondere bevorzugt wird wenigstens ein Thermoplast in flammgeschützter Form für die Kunststoffmatrix bzw. als Matrixpolymer des Faser-Matrix-Halbzeugs eingesetzt. Erfindungsgemäß bevorzugte Flammschutzmittel für Polyamid basierte Faser-Matrix- Halbzeuge werden in EP 1762592 A1 , EP 2060596 A1 , EP 2028231 A1 , JP 2010 222486 A oder EP 2410021 A1 beschrieben, deren Inhalte von der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich mit umfasst werden. Erfindungsgemäß bevorzugte Flammschutzmittel für Polycarbonat basierte Faser-Matrix-Halbzeuge werden in EP 3020752 A1 beschrieben. Erfindungsgemäß bevorzugte Flammschutzmittel für TPU basierte Faser-Matrix- Halbzeuge werden in der WO 2013/087733 A2 beschrieben. Bevorzugt werden auf 100 Gewichtsteile Thermoplast, insbesondere Polyamid, 0,001 bis 20 Gewichtsteile Flammschutzadditiv eingesetzt.
Abgesehen von Flammschutzadditiven kann der Thermoplast alternativ oder zusätzlich weitere Additive enthalten, vorzugsweise wenigstens einen Thermostabilisator. Bevorzugte Thermostabilisatoren sind Metall basierte Stabilisatoren, vorzugsweise auf Basis von Kupfer oder Eisen, oder organische Thermostabilisatoren, insbesondere polyhydrische Alkohole. Bevorzugte Kupferstabilisatoren sind Kupfer(l)halogenide, insbesondere Kupferbromid oder Kupferiodid, die vorzugsweise in Kombination mit wenigstens einem Alkalimetallhalogenid eingesetzt werden, vorzugsweise Kaliumbromid oder Kaliumiodid. Bevorzugte Eisen basierte Thermostabilisatoren sind Eisenpulver, Eisenoxide oder Eisensalze organischer Säuren, insbesondere Eisencitrat oder Eisenoxalat. Bevorzugt einzusetzender polyhydrischer Alkohol ist Dipentyerthrit. In einer Ausführungsform können im Thermoplasten bzw. in der Thermoplastzusammensetzung auch Mischungen der genannten Thermostablisatoren eingesetzt werden. Vorzugsweise werden die genannten Thermostabilisatoren in Polyamid eingesetzt. Besonders bevorzugt werden auf 100 Gewichtsteile Thermoplast, insbesondere Polyamid, 0,001 bis 20 Gewichtsteile Thermostabilisator eingesetzt.
Weitere Additive im erfindungsgemäß einzusetzenden Thermoplasten zur Herstellung einer Thermoplastzusammensetzung für das erfindungsgemäß einzusetzende, einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug sind aber auch die bereits oben beschriebenen Kurzglasfasern sowie andere Füll- oder Verstärkungsstoffe, vorzugsweise auszuwählen aus der Gruppe Kohlenstofffasern, Glaskugeln, amorphe Kieselsäure, Calciumsilikat, Calciummetasilikat, Magnesiumcarbonat, Kaolin, Kreide, gepulverter Quarz, Glimmer, Bariumsilikat, Wollastonit, Montmorillonit, Böhmit, Bentonit, Vermiculit, Hektorit, Laponit, Ruß und Feldspat. Ferner können sterisch gehinderte Phenole, Antioxidantien, Farbstoffe, Oxidationsverzögerer, Entformungsmittel, Keimbildungsmittel, Weichmacher oder Schlagzähmodifikatoren als Additiv eingesetzt werden. Bevorzugte Schlagzähmodifikatoren sind kautschukelastische Polymerisate.
Vorzugsweise werden die Kurzglasfasern sowie die gegebenenfalls anderen Füll- und Verstärkungsstoffe oder Additive im Thermoplasten dispergiert oder compoundiert, bevor der Auftrag auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen zwecks Herstellung eines erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs erfolgt. Das Dispergieren erfolgt vorzugsweise mittels Schmelzmischverfahren. Für ein solches Schmelzmischverfahren einzusetzende Mischwerkzeuge sind vorzugsweise Einzel- oder Doppelschneckenextruder oder Banbury-Mischer. Die Additive werden entweder alle auf einmal in einer einzigen Stufe, oder schrittweise und dann in der Schmelze vermischt. Beim schrittweise Hinzufügen der Additive zum wenigstens einen Thermoplasten wird zunächst ein Teil der Additive zum Thermoplast gegeben und in der Schmelze vermischt. Anschließend werden weitere Additive zugegeben und dann solange gemischt, bis eine homogene Zusammensetzung erhalten wird. Verfahrensschritt b)
Vorzugsweise basiert die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen im erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug auf Glasfasern und/oder Carbonfasern, besonders bevorzugt Glasfasern. Für Glasfasern werden vorzugsweise silikatische oder nichtsilikatische Gläser eingesetzt. Neben den Glasfasern können in der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen zusätzlich auch andere Fasern enthalten sein, besonders bevorzugt aus der Gruppe Kohlenstoff, Bor, Aramid, Siliciumcarbid, Metalllegierungen, Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide, Metalle und Silikate sowie organische Materialien, insbesondere natürliche oder synthetische Polymere, vorzugsweise Polyester, Polyamide oder Naturfasern, insbesondere Baumwolle oder Cellulose sowie deren Kombinationen.
Erfindungsgemäß bevorzugt werden Endlosfasern in Kombination mit wenigstens 10 mm langen Langfasern eingesetzt. Die Endlosfasern liegen in den Faserhalbzeuglagen vorzugsweise als Rovings, Stränge, Garne, Zwirne oder Seile vor, besonders bevorzugt als Rovings. Unter Endlosfasern, auch als endlose Verstärkungsfasern bezeichnet, werden solche verstanden, die wie oben beschrieben im Allgemeinen eine Länge von über 50 mm aufweisen, im Speziellen aber solche, deren Länge etwa der Längenausdehnung des jeweiligen zu erzeugenden Türmoduls entspricht. Vorzugsweise weisen die Endlosfasern Filamentdurchmesser im Bereich von 0,5 μηι bis 25 μηι auf. Die Bestimmung von Filamentdurchmessern und Querschnittsflächen von Filamentgarnen aus Glas, Aramid oder Carbon erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß DIN 65571 -1 :1992-1 1 . Der mittlere Filamentdurchmesser wird nach Entfernung eventueller Schlichten gemessen. Die Bestimmung von Filamentdurchmesser und Querschnittsfläche von Filamentgarnenerfolgt gemäß DIN 65571 mittels optischer Verfahren entweder mit Lichtmikroskop und Mikrometerokular (Distanzmessung Zylinderdurchmesser) oder mit Lichtmikroskop und Digitalkamera mit anschließender Planimetrie(Querschliffmessung) oder durch Laserinterferometrie oder durch Projektion. Alternativ kann der mittlere Filamentdurchmesser von Glasfasern gemäß ISO 1888 bestimmt werden.
In einer Ausführungsform sind die gegebenenfalls zusätzlich zu den Endlosfasern im Faser-Matrix-Halbzeug enthaltenen Langglasfasern von flacher Gestalt mit nicht kreisförmiger Querschnittsfläche, wobei das Verhältnis der senkrecht aufeinander stehenden Querschnittsachsen größer oder gleich 2 ist, insbesondere größer oder gleich 3 ist, und die kleinere Querschnittsachse eine Länge von > 3μηι aufweist. Es wird insbesondere eine im Querschnitt möglichst rechteckige Langglasfaser bevorzugt, bei der das Verhältnis der Querschnittsachsen größer 3, insbesondere größer oder gleich 3,5 ist.
Die vorzugsweise ebenfalls als Roving einzusetzenden Langglasfasern weisen einen Durchmesser im Bereich von 3 bis 20 μηι, besonders bevorzugt im Bereich von 3 bis 10 μηι, auf.
Besonders bevorzugt werden flache Langglasfasern mit einem Verhältnis der Querschnittsachsen im Bereich von 3,5 bis 5,0 eingesetzt.
Insbesondere bevorzugt werden sowohl für die Endlosfasern als auch für die Langglasfasern E-Glasfasern eingesetzt. In einer Ausführungsform werden neben den E- Glasfasern zusätzlich noch S-Glasfasern eingesetzt, da diese gegenüber den E- Glasfasern eine um 30% höhere Zugfestigkeit aufweisen. Es können aber auch alle anderen Glasfasern, wie A-, C-, D-, M- oder R-Glasfasern oder beliebige Mischungen davon oder Mischungen mit E- und/oder S-Glasfasern eingesetzt werden. E-Glas weist folgende Eigenschaften auf: Dichte 2,6 g/cm3 bei 20°C, Zugfestigkeit 3400 MPa, Zug-E- Modul 73 GPa, Bruchdehnung 3,5 - 4%.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern verleihen dem Türmodul die gewünschten mechanischen Eigenschaften. Sie können in ihrer Struktur, aber auch in ihrer Anzahl, an zu erwartende Belastungen im Türmodul angepasst werden, so dass diese für reale Lastfälle eine optimale Festigkeit und/oder Steifigkeit aufweist.
Die Faserhalbzeuglagen im erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser- Matrix-Halbzeug bilden dabei keine von der Polymermatrix separaten Schichten wie im Stand der Technik aus, sondern werden von dieser durchdrungen, so dass Fasern und Polymer ein integrales Bauteil bilden.
Insbesondere ist es vorteilhaft wenn die Faserhalbzeuglagen in Form gewebter oder nichtgewebter Strukturen eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Faserhalbzeuglagen auf Basis von Geweben, Gelegen einschließlich Multiaxialgelegen, Gesticken, Geflechten, Vliesen, Filze, Matten, ein Gemisch aus zwei oder mehr dieser Materialien, und Kombinationen davon eingesetzt.
Vliese können mit zufälliger Faserausrichtung oder mit ausgerichteten Faserstrukturen ausgewählt werden. Zufällige Faserorientierungen finden sich vorzugsweise in Matten, in genadelten Matten oder als Filz. Ausgerichtete faserige Strukturen finden sich vorzugsweise in unidirektionalen Fasersträngen, bidirektionalen Fasersträngen, multidirektionalen Fasersträngen, multiaxialen Textilien. Vorzugsweise sind erfindungsgemäß einzusetzende Faserhalbzeuglagen unidirektionale Gelege oder Gewebe, insbesondere Gewebe.
Besonders bevorzugt werden Glasfasern mit Carbonfasern, auch als Kohlenstofffasern oder Graphitfasern bezeichnet, kombiniert. Durch Austausch eines Teils der Glasfasern durch Carbonfasern entsteht ein hybridfaserverstärktes Faser-Matrix-Halbzeug, dessen Steifigkeit im Vergleich zu einem reinen Glasfaser basierten Faser-Matrix-Halbzeug, erhöht ist.
Der Gehalt an Carbonfasern in einem erfindungsgemäß für Türmodule einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 Vol.-% bis 30 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-%, bezogen auf den Gesamtfasergehalt, wobei der Gesamtfasergehalt im erfindungsgemäß einzusetzenden Faser-Matrix-Halbzeug im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-% liegt. Das Fasermaterial oder auch Fasergeflecht in den Faserhalbzeuglagen kann nur in einer Richtung orientiert oder in zwei Richtungen in beliebigem Winkel zueinander, bevorzugt rechtwinklig zueinander orientiert sein. Um eine bessere Verträglichkeit der Endlosfasern mit dem wenigstens einen Thermoplasten bzw. mit der Thermoplastzusammensetzung zu erhalten, werden diese vorzugsweise mit einer Silanverbindung an ihrer Oberfläche vorbehandelt. Besonders bevorzugt sind Silanverbindungen der allgemeinen Formel (I)
(X-(CH2)q)k-Si-(0-CrH2r+1)4-k (I) worin
O
X für NH2-, Carboxyl-, HO- oder H 2 c_CH_CHr° steht! q für eine ganze Zahl von 2 bis 10, bevorzugt 3 bis 4 steht, r für eine ganze Zahl von 1 bis 5, bevorzugt 1 bis 2 steht und k für eine ganze Zahl von 1 bis 3, bevorzugt 1 steht.
Insbesondere bevorzugt sind Silanverbindungen aus der Gruppe Amino- propyltrimethoxysilan, Aminobutyltrimethoxysilan, Aminopropyltriethoxysilan, Aminobutyl- triethoxysilan sowie die entsprechenden Silane, welche als Substituent X in Formel (I) eine Glycidyl- oder eine Carboxylgruppe enthalten, wobei Carboxylgruppen insbesondere ganz besonders bevorzugt sind.
Die Ausrüstung der Glasfasern mit wenigstens einer Silanverbindung gemäß Formel (I), erfolgt bevorzugt in Mengen von 0,05 bis 2 Gewichtsteilen Silanverbindung auf 100 Gewichtsteile Glasfaser.
Vorzugsweise enthalten die Faserhalbzeuglagen keine zerkleinerten Fasern oder Teilchen, insbesondere keine Kurzfasern mit einer Länge im Bereich von 0,1 bis 1 mm.
Vorzugsweise werden Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern eingesetzt, besonders bevorzugt aus Glasfasern.
In einer Ausführungsform werden für den Verfahrensschritt b) die Faserhalbzeuglagen als Rollenware bereitgestellt.
Verfahrensschritt c)
Für den Auftrag auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen wird der wenigstens eine Thermoplast bzw. die Thermoplastzubereitung als Granulat, Pulver, Flakes, Folie oder in Form anderer makroskopischer Teile, in Form seiner Schmelze oder in Form einer Dispersion in einem Lösungsmittel vorgelegt. Besonders bevorzugt werden Pulver oder Folien. Erfindungsgemäß bevorzugt ist der Pulverauftrag oder Auftrag in Form eines Films, insbesondere der Pulverauftrag.
Der Auftrag des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen im Verfahrensschritt c) erfolgt mittels konventioneller Mittel, vorzugsweise durch Streuen, Rieseln, Drucken, Spritzen, Sprühen, Tränken, Benetzen im Schmelzebad, thermisches Spritzen oder Flammspritzen, oder durch Fließbett-Beschichtungsverfahren. In einer Ausführungsform können mehrere Thermoplastschichten bzw. Schichten einer oder verschiedener Thermoplastzusammensetzungen auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aufgebracht werden. In einer Ausführungsform wird der Thermoplast bzw. die Thermoplast-Zusammensetzung in Form einer Folie auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern aufgetragen.
Vorzugsweise erfolgt der Auftrag des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung auf die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen in Mengen woraus ein nach DIN 1310 definierter Volumenanteil an Fasermaterialien im Faser-Matrix-Halbzeug im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-%, resultiert.
In einer Ausführungsform kann dem Auftrag ein Sinterschritt folgen, bei dem der Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung auf der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen gesintert wird. Durch das Sintern, gegebenenfalls unter Druck, wird der Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung erhitzt, wobei die Temperatur jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des jeweils einzusetzenden Thermoplasten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Thermoplastpartikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume in der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aufgefüllt werden.
Verfahrensschritt d)
Anschließend wird die beaufschlagte Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen im Verfahrensschritt d) dem Einfluss von Druck und Temperatur unterzogen. Vorzugsweise erfolgt dies unter Vorwärmen der mit Polymer bzw. der Polymer-Zusammensetzung beaufschlagte Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen, auch als Fasermaterial bezeichnet, außerhalb des Druckzone.
Im Verfahrensschritt d) wird die mit Thermoplast bzw. Thermoplastzusammensetzung beaufschlagte Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen aufgeheizt, um die Imprägnierung und Konsolidierung des Fasermaterials einzuleiten. Durch den Einfluss von Druck und Wärme schmilzt der wenigstens eine Thermoplast bzw. die Thermoplastzusammensetzung und durchdringt die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen, die sie somit imprägniert. Vorzugsweise werden dabei Drücke im Bereich von 2 bis 100 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 40 bar, angewandt.
Die in Verfahrensschritt d) anzuwendende Temperatur ist > der Schmelztemperatur des wenigstens einen einzusetzenden Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung. In einer Ausführungsform liegt die anzuwendende Temperatur mindestens 10°C über der Schmelztemperatur des wenigstens einen einzusetzenden Thermoplasten. In einer weiteren Ausführungsform liegt die anzuwendende Temperatur mindestens 20°C über der Schmelztemperatur des wenigstens einen einzusetzenden Thermoplasten. Die Beheizung kann durch eine Vielzahl von Mitteln erfolgen, vorzugsweise Kontaktheizung, strahlende Gasheizung, Infrarotheizung, Konvektion oder erzwungene Konvektion, Induktionsheizung, Mikrowellenheizung oder Kombinationen davon. Im unmittelbaren Anschluss daran erfolgt die Konsolidierung.
Die Imprägnierung ist insbesondere abhängig von den Parametern Temperatur und Druck. In einer Ausführungsform ist Verfahrensschritt d) zusätzlich noch von der Zeit abhängig. Zur Erzielung optimaler mechanischer Eigenschaften ist im Verfahrensschritt d) eine möglichst vollständige Imprägnierung der Filamente des Fasermaterials mit dem wenigstens einen Thermoplasten bzw. mit der Thermoplastzusammensetzung wünschenswert. Es wurde gefunden, dass bei Anwesenheit von Fasermaterial aus Glasfasern eine schnelle Imprägnierungsrate von Fasermaterial aus Carbonfasern erfolgt, was zu einem insgesamt schnelleren Gesamtherstellungszyklus einschichtiger Faser- Matrix-Halbzeuge führt, die sowohl Glas-, als auch Carbonfasern enthalten.
Das Prinzip des Imprägnierens besteht im Tränken einer trockenen Faserstruktur mit einer Matrix aus Polymer bzw. Polymer-Zusammensetzung. Das Durchströmen des Faserhalbzeugs ist mit dem Fließen eines inkompressiblen Fluids durch ein poröses Grundmedium vergleichbar. Die Strömung wird mit Hilfe der Navier-Stokes Gleichung beschrieben: worin p die Dichte, v den Geschwindigkeitsvektor, VP den Druckgradienten und η die Viskosität des verwendeten Fluids dar. Geht man davon aus, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Polymers bzw. Polymer-Zusammensetzung - auch als Matrix bezeichnet - in der Verstärkungsstruktur als gering einzustufen ist, können die Trägheitskräfte in obiger Gleichung ( deren linke Seite) vernachlässigt werden. Folglich vereinfacht sich die Gleichung zu der als Stokes-Gleichung bekannten Form:
0 = -ν/> + ην- Γ
Verfahrensschritt e)
Zeitgleich zur Imprägnierung oder im Anschluss an die Imprägnierung findet die Konsolidierung statt, worunter man das Exprimieren von eingeschlossener Luft und anderer Gase versteht. Auch die Konsolidierung ist insbesondere abhängig von den Parametern Temperatur und Druck sowie gegebenenfalls von der Zeit.
Die Gase enthalten Gas der Umgebung (z. B. Luft oder Stickstoff) und / oder Wasser (Dampf) und/oder thermische Zersetzungsprodukte des einzusetzenden wenigstens einen Thermoplasten.
Auch die Konsolidierung ist abhängig von den Parametern Temperatur und Druck. In einer Ausführungsform ist Verfahrensschritt e) zusätzlich noch von der Zeit abhängig.
Vorzugsweise werden die genannten Parameter angewandt, bis das Faser-Matrix- Halbzeug einen Hohlraumgehalt von weniger als 5% aufweist. Besonders bevorzugt wird angestrebt, dass der Hohlraumgehalt von weniger als 5% innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 10 Minuten, bei Temperaturen oberhalb 100°C erzielt wird, besonders bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 100°C bis 350°C. Vorzugsweise werden Drücke oberhalb von 20 bar angewandt.
Die Druckbeaufschlagung kann durch ein statisches Verfahren oder durch ein kontinuierliches Verfahren (auch als dynamischer Prozess bekannt) erfolgen, wobei ein kontinuierliches Verfahren aus Geschwindigkeitsgründen bevorzugt ist. Bevorzugte Imprägnierungstechniken umfassen ohne Einschränkung Kalander, Flachbett- Laminierung und Doppelbandpresse-Laminierung. Bevorzugt wird der Imprägnierschritt als Laminierverfahren durchgeführt. Wenn das Imprägnieren als Laminieren durchgeführt wird, ist vorzugsweise eine gekühlte Doppelbandpresse (siehe auch EP 0 485 895 B1 ) oder eine Intervallheizpresse einzusetzen. Beide Eigenschaften, den Grad der Imprägnierung in Verfahrensschritt d) und der Konsolidierung in Verfahrensschritt e) lassen sich durch die Bestimmung mechanischer Kennwerte messen bzw. überprüfen, insbesondere durch Messung der Zugfestigkeit an Verbundstrukturprobekörpern. Zur Ermittlung der Zugfestigkeit dient der Zugversuch, ein quasistatisches, zerstörendes Prüfverfahren, im Falle von Kunststoffen nach ISO 527-4 oder -5.
Da sowohl der Vorgang der Imprägnierung als auch der Vorgang der Konsolidierung von den Parametern Temperatur und Druck abhängig sind, wird der Fachmann diese Parameter dem jeweils einzusetzenden Thermoplasten bzw. dem Thermoplasten in der Thermoplastzusammensetzung anpassen. Zudem wird er auch den Zeitraum, über den der Druck angewandt wird, entsprechend dem Matrixpolymer anpassen.
Verfahrensschritt f)
Nach dem Verfahrensschritt e) sind innerhalb eines erfindungsgemäß einzusetzenden, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs die Fasern mit Thermoplast bzw. mit Thermoplastzusammensetzung vollständig imprägniert und konsolidiert, d.h. die Fasern sind vollständig mit Kunststoff benetzt, es befindet sich nahezu keine Luft im Material.
Zur Solidifikation lässt man die Faserverbundstruktur bzw. das Faser-Matrix-Halbzeug auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung abkühlen. Der Begriff der Solidifikation beschreibt das Erstarren des Gemisches aus der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen und schmelzflüssiger Matrix durch Abkühlen oder durch chemische Vernetzung zu einem Festkörper.
In einer Ausführungsform werden nach dem Verfahrensschritt e) die Verfahrensschritte f) Formgebung und g) die Solidifikation gleichzeitig oder zumindest kurz hintereinander durchgeführt. In einer Ausführungsform erfolgt beim Einsatz einer Doppelbandpresse eine Solidifikation und eine Formgebung des einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs vorzugsweise zu Plattenware. In diesem Fall wird das einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug nach dem Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung, vorzugsweise auf Raumtemperatur (23 +/- 2°C), in Form von Plattenware dem Presswerkzeug entnommen. Die Umformung zum Türmodul erfolgt dann durch erneutes Erwärmen bzw. Plastifizieren der oben beschriebenen Art und durch anschließende Formgebung. Vorzugsweise werden dabei kurze Zykluszeiten angewandt. Entscheidend ist, dass während der Umformung das einschichtige Faser- Matrix-Halbzeug keine chemische Umwandlung erfährt.
Bei der Herstellung solcher thermoplastischer FKV-Plattenhalbzeuge wird in Abhängigkeit von den zu erzielenden Materialdurchsätzen in Film-Stacking-, Prepreg- und Direktverfahren unterschieden. Für hohen Materialdurchsatz werden im Fall der Direktverfahren die Matrix- und die Textilkomponente direkt im Bereich des Materialeinlaufs des Pressprozesses zusammengeführt. Dies ist in der Regel mit einem hohen anlagentechnischen Aufwand verbunden. Für geringe bis mittlere Mengen wird neben den Prepregverfahren häufig das Film-Stacking-Verfahren eingesetzt. Hierbei durchläuft ein aus alternierend angeordneten Folien- und Textillagen bestehender Aufbau den Pressprozess. Die Art des Pressprozesses orientiert sich am geforderten Materialausstoß und der Materialvielfalt. Hier unterscheidet man, nach zunehmendem Materialdurchsatz, zwischen statischen, semi-kontinuierlichen und kontinuierlichen Verfahren. Der anlagentechnische Aufwand und die Anlagenkosten steigen dabei mit der Zunahme des Materialdurchsatzes (AKV- Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V., Handbuch Faserverbund-Kunststoffe, 3. Aufl. 2010, Vieweg-Teubner, 236).
Erfolgt aber im Verfahrensschritt e) gleichzeitig eine Formgebung, so wird nach dem Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung, vorzugsweise auf Raumtemperatur (23 +/- 2°C), gekühlt und das Türmodul dem als Negativform eines Türmoduls ausgeformten Presswerkzeug entnommen.
Wird hingegen das einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug als fertige Plattenware eingesetzt, wird dieses nach dessen Herstellung nachträglich einem Formgebungsschritt unterzogen. Die Fertigungsverfahren der Kunststoffverformung werden in Deutschland nach DIN 8580 eingeteilt. Bevorzugte Formgebungsverfahren sind das Pressformverfahren ( siehe beispielsweise EP 1 980 383 A2) und das Stempelumformen, bevorzugt das Stempelformverfahren (siehe: C. Hopmann, R.Schöldgen, M. Hildebrandt, Inline-Imprägniertechnik mit Thermoplasten, Flexible Serienfertigung von thermoplastischen FVK-Bauteilen, IKV der RWTH Aachen, Plastverarbeiter 15.0ktober 2014). Beim Pressformen erfolgen alle erforderlichen Prozessschritte in der Reihenfolge Umformen — > Aufheizen — > Imprägnieren/Konsolidieren — > Abkühlen im geschlossenen Werkzeug. Das textile Halbzeug bzw. wird in ein Formwerkzeug aus Metall eingelegt, kalt umgeformt und über Wärmeleitung durch Kontakt zur Form bei geringem Druck aufgeheizt. Nach Erreichen der Schmelztemperatur des Matrixpolymers wird ein höherer Druck zur Imprägnierung und Konsolidierung aufgebracht und anschließend abgekühlt.
Beim Stempelformen wird das einzusetzende und aus Plattenware bereits zugeschnittene, einschichtige Faser-Matrix-Halbzeug außerhalb des Formwerkzeuges durch ein Heizsystem aufgeheizt bis dieses plastifiziert. Sodann sorgt ein Transfersystem für den Transport des plastifizierten Faser-Matrix-Halbzeug-Ausschnitts vom Heizsystem zum Presswerkzeug, welches auf einer konstanten Temperatur unter der Erstarrungstemperatur des Thermoplasten bzw. der Thermoplastzusammensetzung gehalten wird. Der Faser-Matrix-Halbzeug-Ausschnitt wird anschließend im Formwerkzeug zum Bauteil umgeformt und passiv abgekühlt. In bevorzugter Ausführungsform wird im Verfahrensschritt f) das zu fertigende Faser- Matrix-Halbzeug - also noch während seiner Herstellung - durch ein gleichzeitig anzuwendendes Formgebungsverfahren in die gewünschte Geometrie oder Konfiguration eines Türmoduls geformt, d. h. Verfahrensschritte f) und g) werden gleichzeitig durchgeführt. Bevorzugte Formgebungsverfahren für die gleichzeitig mit dessen Herstellung einer geometrischen Gestaltung eines in Verfahrensschritt f) zu fertigenden Faser-Matrix-Halbzeugs sind Formpressen, Stanzen, Pressen oder jedes Verfahren unter Verwendung von Wärme und/oder Druck. Besonders bevorzugt sind Pressen und Stanzen. Vorzugsweise wird beim Formgebungsverfahren der Druck durch die Verwendung einer hydraulischen Formpresse aufgetragen. Beim Pressen oder Stanzen wird das Faser-Matrix-Halbzeug auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des wenigstens einen Thermoplasten bzw. Thermoplastzusammensetzung vorgewärmt und mit einer Form-, einer Formungseinrichtung oder einem Formwerkzeug, insbesondere wenigstens einer Formpresse, in die gewünschte Form bzw. Geometrie gebracht. Erfindungsgemäß zu nutzende Formgebungsverfahren werden im Kapitel 10, Pressverfahren für kontinuierliche FV-Thermoplasten, Urs Thomann, in Composites Technologie, Prof. Dr. Paolo Ermanni, Skript zur ETH-Vorlesung 151 -0307-00L, Zürich August 2007, Version 4.0 beschrieben. Verfahrensschritt h)
In einer Ausführungsform kann sich mit Verfahrensschritt h) wenigstens eine Nachbehandlung anschließen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Nachbehandlung ein Temperschritt. Das Tempern ist eine Temperaturbehandlung, die der Steigerung der Kristallinität zur Verbesserung der Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit, der Reduktion der inneren Spannungen, die durch Extrusion oder Zerspanung entstehen, sowie der Erhöhung der Dimensionsstabilität über einen breiten Temperaturbereich dient. Durch Tempern, im Falle von Polyamid durch eine halb- bis eintägige Wärmenachbehandlung, vorzugsweise in einer Temperflüssigkeit bei 140°C bis 170°C, können Eigenspannungen innerhalb des einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs und somit innerhalb des Türmoduls weitgehend beseitigt werden. Das Tempern führt auch zur Nachkristallisation nicht völlig auskristallisierter Erzeugnisse, wobei einerseits Dichte, Abriebfestigkeit, Steifigkeit und Härte ansteigen und andererseits eine geringe Nachschwindung, mitunter auch ein geringer Verzug der Teile, eintritt. Die Art, Temperatur und Zeitdauer des Temperns ist vom jeweils eingesetzten Thermoplasten bzw. Thermoplastzusammensetzung sowie von der Wandstärke des eingesetzten einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs abhängig. Durch geeignete Vorversuche wird der Fachmann die entscheidenden Parameter für den Verfahrensschritt h) ermitteln. Als Temperflüssigkeiten kommen wärmebeständige Mineral-, Paraffin- und Silikonöle in Betracht. Die getemperten Teile müssen langsam abgekühlt werden. Siehe auch: https://de.wikipedia.org/wiki/Kristallisation_(Polymer)
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Nachbehandlung das Anformen von Funktionselementen oder das Umspritzen der Kanten des Türmoduls. Das Anformen weiterer Funktionselemente durch Gießen oder Spritzgießen, bevorzugt Spritzgießen, kann vollflächig, partiell oder umlaufend erfolgen. Das Spritzgießen kann dabei ein Hinterspritzen und/oder Anspritzen und/oder Umspritzen sein. Vorzugsweise wendet man das In-Mold-Forming (IMF) an, ein integratives Spritzgieß-Sonderverfahren, das zur Herstellung hybrider Strukturbauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen dient; siehe http://www.industrieanzeiger.de/home/-/article/12503/1 1824771 /. Durch IMF ist es möglich, im Kantenbereich eines Faser-Matrix-Halbzeugs freiliegende Verstärkungsfasern einzuschließen. Hierdurch wird ein Strukturbauteil mit besonders glatten Kanten erzeugt. Durch das IMF wird aber auch ein anzuformendes Funktionselement geformt und gleichzeitig mit der Faser-Matrix-Halbzeug-Komponente verbunden, insbesondere ohne Einsatz zusätzlicher Klebemittel. Das Prinzip des IMF ist auch Gegenstand in DE 4101106 A1 , US 6036908 B, US 6475423 B1 oder WO 2005/070647 A1.
Für eine erfindungsgemäß einzusetzende Spritzgusszusammensetzung zur Anwendung im IMF kommen vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe infrage, bevorzugt Polyamide, insbesondere PA 6, PA 66 oder aromatische Polyamide wie Polyphtalamid, Polysulfon PSU, Polyphenylensulfid PPS, Polyphthalamide (PPA), Poly(arylenethersulfone), wie PES, PPSU oder PEI, Polyester, bevorzugt Polybutylenterephthalat (PBT) oder Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyimide (PI). Weitere Ausführungsvarianten finden sich in DE 10 2006 013 684 A1 .
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform eines Türmoduls werden sowohl die Faser-Matrix-Halbzeug-Komponente als auch die, vorzugsweise im IMF, anzuwendende Spritzguss-Komponente aus demselben thermoplastischen Polymer gefertigt. Besonders bevorzugt werden die Matrix des einschichtigen Faser-Matrix- Halbzeugs als auch die Spritzgusskomponente auf Basis von Polyamid ausgeführt. In diesem Fall und insbesondere für Türmodule eignen sich Durethan® BKV 235XCP, Durethan® 240 XCP oder Durethan® BKV 55 TPX der Lanxess Deutschland GmbH, Köln.
Bevorzugte Funktionselemente aus der Spritzgusskomponente sind Befestigungen oder Halterungen oder sonstige Applikationen, die nicht durch die Faser-Matrix-Halbzeug- Komponente, sondern aufgrund eventueller geometrischer Komplexität durch die Spritzguss-Komponente abgebildet werden müssen.
Die Anbringung von Funktionselementen kann noch während der Formgebung in Verfahrensschritt f) oder aber im Rahmen des Verfahrensschrittes h) nachträglich erfolgen. Zur nachträglichen Anbringung von Funktionselementen, insbesondere zur Durchführung des IMF, wird das nach Verfahrensschritt e) erhältliche Türmodul in ein Formwerkzeug, vorzugsweise ein Spritzgießwerkzeug, mit entsprechend gestaltetem Formhohlraum eingelegt. Vorzugsweise wird es im Bereich der Anbringung des Funktionselements zuvor plastifiziert. Anschließend wird die Spritzguss-Komponente eingespritzt. Ziel dabei ist, dass es zwischen dem Thermoplast der Faser-Matrix- Halbzeug-Komponente und dem Thermoplast der Spritzguss-Komponente zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommt. Am besten erreicht man eine solche stoffschlüssige Verbindung, indem jene beiden Kunststoffe dieselbe Polymerbasis haben. Erfindungsgemäß bevorzugt ist, wenn beide Komponenten auf Polyamid, insbesondere auf Polyamid 6 basieren. Außerdem spielen noch Prozessparameter wie Schmelzetemperatur und Druck eine Rolle.
Es ist bevorzugt, wenn das Spritzgießen im Verfahrensschritt h) bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 320°C, bevorzugt im Bereich von 240°C bis 290°C, weiter bevorzugt im Bereich von 240°C bis 270°C, erfolgt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Spritzgießen im Verfahrensschritt h) bei einem Druck im Bereich von 10 bar bis 2000 bar, bevorzugt im Bereich von 200 bar bis 1500 bar, weiter bevorzugt im Bereich von 500 bar bis 1300 bar, erfolgt.
Verwendung Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung wenigstens eines einschichtigen, endlosfaserverstärkten Faser-Matrix-Halbzeugs als Türmodul, vorzugsweise in Gebäuden oder in Fahrzeugen. Bevorzugte Fahrzeuge sind Kraftfahrzeuge. Bevorzugte Kraftfahrzeuge sind solche basierend auf Verbrennungsmotoren, Elektrokraftfahrzeuge oder Hybridkraftfahrzeuge. Bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einschichtiger Faser-Matrix- Halbzeuge enthaltend
1 bis 100 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, bevorzugt 2 bis 40 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, besonders bevorzugt 2 bis 10 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, - wobei die Faserhalbzeuglagen jeweils ein Flächengewicht im Bereich von 5 g/m2 bis 3000 g/m2, bevorzugt im Bereich von 100 g/m2 bis 900 g/m2, besonders bevorzugt im Bereich von 150 g/m2 bis 750 g/m2, aufweisen, und die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast mit einem MVR nach ISO 1 133 im Bereich von 1 cm3/10 min bis 100 cm3/10 min imprägniert ist, wobei der Thermoplast aus der Gruppe der Polyolefine, Vinylpolymerisate, Polyacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polystyrole, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide (PPO), Polyarylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate (PC), Polyphthalamide (PPA), Polymethylmethacrylate (PMMA), Styrolacrylnitrile (SAN), TPO (Thermoplastische
Elastomere auf Olefinbasis), TPU (Thermoplastische Polyurethane) und Polyoxymethylene (POM) ausgewählt wird, und das Faser-Matrix-Halbzeug einen nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Fasermaterialien im Bereich von 5 bis 90 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich 45 bis 55 Vol.-%, zur Herstellung von Türmodulen, - einen Volumenanteil an Luft von weniger als 15 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 10 Vol.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Vol.-%, aufweist, zur Herstellung von Türmodulen.
Ein erfindungsgemäßes Türmodul ist insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen, bevorzugt in Kraftfahrzeugen geeignet. Erfindungsgemäße Türmodule zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: signifikant höhere Energieabsorption gegenüber einer reinen Kunststoff-Lösung, einer reinen Metallvariante, und auch gegenüber einer Kunststoff-Metall-Hybrid- Variante bei jeweils gleichem Gewicht, was im Falle eines Crashs erhebliche Bedeutung hat; - die Bauteile müssen im Vergleich mit duroplastischen, langglasfaser-verstärkten Werkstoffen nicht nachgearbeitet werden; gegenüber reinen Metallblech-Varianten und Kunststoff-Metall-Hybriden ist kein Invest für Blechumformwerkzeuge nötig;
Kunststoff-Bauteile können angeschweißt werden und am Türmodul somit weitere Funktionen eng mit diesem bzw. mit seiner Funktion verbunden werden, z. B.
Aufnahmen für Sensoren.
Im Vergleich zu Türmodulen des Standes der Technik bietet ein erfindungsgemäßes Türmodul erhebliche Vorteile: niedrigeres Gewicht (gegenüber Kunststoff-Metall-Hybriden, Metallblech, Aluguss) - besseres mechanisches Verhalten, höhere Energieaufnahme bessere Beständigkeit im Falle eines Crashs auch bei besonders tiefen Temperaturen < - 30°C
Medienbeständigkeit keine Delamination. Beispiele
Zum Nachweis, dass ein erfindungsgemäß zu einem Türmodul zu verarbeitendes einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug oder zumindest in den genannten Anwendungen anteilig eingebautes einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug weniger zur Delamination neigt, als ein mehrschichtiges Composite gemäß dem Stand der Technik, wurden Prüfkörper einer mechanischen Prüfung unterzogen und daraus die Verbundfestigkeit anhand von Zugversuchen nach EN ISO 527 zur Bestimmung der Bruchspannung, der Bruchdehnung sowie des E-Moduls bei definierter Temperatur ermittelt. Die EN ISO 527- 1 (letzte Ausgabe vom April 1996, aktuelle ISO- Version Februar 2012) ist eine Europäische Norm für Kunststoffe zur Bestimmung der Zugeigenschaften, welche durch einen Zugversuch mit einer Zugprüfmaschine ermittelt werden. Hierzu wurde eine speziell konzipierte Prüfkörperaufnahme verwendet, die ein einfaches Einschieben und Fixieren der als Prüfkörper verwendeten Kopfzugprobe bei Zugbelastung ermöglichte.
Die Prüfung wurde auf einer Universalprüfmaschine vom Typ Zwick UTS 50 der Firma Zwick GmbH & Co. KG, Ulm, durchgeführt, wobei die Krafteinleitung durch einen mechanischen Spannkopf erfolgte. Jeder Prüfkörper, im Folgenden als Kopfzugprobe bezeichnet, bestand aus einem Faser-Matrix-Halbzeug-Streifen (55 x 40 x 2 mm3), auf den eine Rippe (40 x 40 x 4 mm3) aus Polyamid 6 gespritzt war.
EINSATZSTOFFE Thermoplastische Matrix 1 : Polyamid 6 (PA6)
Polyamid 6: Spritzgußtyp, leichtfließend, feinkristallin und sehr rasch verarbeitbar (BASF Ultramid® B3s ) mit einer Dichte von 1 ,13 g/cm3 und einem Fließindex MVR von 160 cm3/10 min [Messbedingungen: IS01 133, 5 kg, 275°C] bzw. einer relativen Viskositätszahl (0.5% in 96% H2S04, ISO 307, 1 157, 1628) von 145 cm3/g. Thermoplastische Matrix 2: Polyamid 6 (PA6)
Polyamid 6: Folientyp, unverstärkt, mittel fließend (BASF Ultramid® B33 L) mit einer Dichte von 1 ,14 g/cm3 und einer relativen Viskositätszahl (0.5% in 96% H2S04, ISO 307, 1 157, 1628) von 187-203 cm3/g.
Faserhalbzeug Balanciertes Rovingglasgewebe (YPC ROF RE600) bestehend aus 1200 tex Kett- und Schussfäden in 2/2 Köperbindung mit einer Fadendichte von 2,5 Fäden/cm. Flächengewicht total 600 g/m2, davon 50% in Kett- und 50% in Schussrichtung. Gewebebreite 1265 mm, Rollenlänge 150 lfm. Ausrüstung der Schussfäden mit spezieller Schlichte, die auf das Polymersystem (im Beispielteil PA) angepasst war.
Faser-Matrix-Halbzeug (1 )
Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) wurde auf einer statischen Heizplattenpresse hergestellt. Das Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) mit einer Kantenlänge von 420 mm x 420 mm bestand aus 4 Faserhalbzeuglagen sowie einer Polymermenge ausschließlich aus der thermoplastischen Matrix 1 , die gleichmäßig auf die Faserlagen aufgebracht und verteilt wurde und in einen Faservolumengehalt von 47% bzw. in einer Dicke von 2,0 mm resultierte. Zur Konsolidierung und Imprägnierung wurde ein Flächendruck von 24 bar und eine Temperatur von 300°C für 240s aufgeprägt. Die anschließende Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte bei gleichbleibendem Druck in 300s. Im entstandenen plattenförmigen Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) waren die Faserhalbzeuglagen somit homogen eingebettet, aufgrund des einheitlichen Einschicht-Matrixsystems entstanden keine Material- / Phasengrenzen innerhalb der Matrix; es konnte stofflich nicht zwischen innerer Einbettmasse und Oberfläche unterschieden werden.
Faser-Matrix-Halbzeug (2)
Faser-Matrix-Halbzeug (2), als Beispiel eines mehrschichtigen Aufbaus gemäß dem Stand der Technik, wurde ebenfalls auf einer statischen Heizplattenpresse hergestellt. Das für den Mehrschichtaufbau vorgesehene Halbzeug mit einer Kantenlänge von 420 mm x 420 mm bestand aus 4 Faserhalbzeuglagen sowie einer Polymermenge ausschließlich aus der thermoplastischen Matrix 1 , die gleichmäßig auf die Faserlagen aufgebracht und verteilt wurde und in einem Faservolumengehalt von 49% bzw. eine Dicke von 1 ,9 mm resultierte. Zur Konsolidierung und Imprägnierung wurde ein Flächendruck von 24 bar und eine Temperatur von 300°C für 240s aufgeprägt. Die anschließende Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgte bei gleichbleibendem Druck in 300s.
Um einen schichtförmigen Aufbau zu erzeugen, wurde auf dieses Zwischenprodukt in einem nachfolgenden Prozessschritt beidseitig eine 50 μηι dicke Folie aus thermoplastischer Matrix 2 aufgebracht. Dies erfolgte wiederum auf einer statischen Heizplattenpresse bei einer Temperatur von 260°C und einem Flächendruck von 9 bar, der für 120 Sekunden aufrecht erhalten wurde. Die Abkühlung auf Raumtemperatur innerhalb von 60s erfolgte bei einem Flächendruck von 7,5 bar. Aufgrund der unterschiedlichen Viskositäten der thermoplastischen Matrizes 1 und 2 kam es zu einem nicht einheitlichen Gefüge des Faser-Matrix-Halbzeugs. Im Inneren des auf diese Weise erzeugten plattenförmigen Faser-Matrix-Halbzeuges (2) waren die Faserhalbzeuglagen homogen in der Matrix 1 eingebettet, während an den beiden Oberflächen (surface) ausschließlich Matrix 2 vorlag, analog der Halbzeuge gemäß WO 2012/132 399 A1 und WO 2010/132 335 A1 .
Prüfung Als Prüfkörper für die mechanische Prüfung der Verbundhaftung zwischen Faser-Matrix- Halbzeug (1 ) bzw. (2) und angespritztem Thermoplast kam eine sogenannte Kopfzugprobe zum Einsatz. Jeder dieser Kopfzugproben-Prüfkörper bestand aus einem Faser-Matrix-Halbzeug-Streifen (55 x 40 x 2 mm3), auf den eine Rippe (40 x 40 x 4 mm3) aus Polyamid 6 gespritzt war. Zu Kopfzugprobe siehe auch W. Siebenpfeiffer, Leichtbau-Technologien im Automobilbau, Springer-Vieweg, 2014, Seiten 118 - 120. Beim Kopfzugversuch wird dann die Kopfzugprobe in eine Halterung eingespannt und einseitig mit einer Zugkraft belastet. Der Zugversuch wird in einem Spannungs- Dehnungs-Diagramm (E-Modul) dargestellt.
Für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchzuführenden Kopfzugversuche wurde ein jeweils ein erfindungsgemäßes erwärmtes, unverformtes Faser-Matrix- Halbzeug (1 ) und auch ein Faser-Matrix-Halbzeug (2) mit mehrschichtigem Aufbau gemäß dem Stand der Technik mit jeweils insgesamt 22 identischen Rippen hinterspritzt. Das jeweilige Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) oder Faser-Matrix-Halbzeug (2) wurde zuvor am Punkt des Angusses mit einer 8 mm-Bohrung versehen, damit kein zusätzlicher Widerstand für die anzuspritzende Polyamidschmelze zur Ausbildung von Rippen entstand. Nach der Verarbeitung wurden an ausgewählten Positionen entlang des Fließwegs einzelne, zur Prüfung geeignete Plattenabschnitte mit einer Bandsäge vom Typ„System Flott" der Firma Kräku GmbH, Großseifen, ausgesägt.
Zur mechanischen Prüfung der Verbundfestigkeit wurden Kennwerte aus Zugversuchen an den Kopfzugproben ermittelt. Hierbei wurde eine speziell konzipierte Prüfkörperaufnahme verwendet, die ein einfaches Einschieben und Fixieren der Kopfzugprobe bei Zugbelastung ermöglichte. Die Prüfung wurde auf einer Universalprüfmaschine vom Typ Zwick UTS 50 der Firma Zwick GmbH & Co. KG, Ulm, durchgeführt, wobei die Krafteinleitung durch einen mechanischen Spannkopf erfolgte. Die bei der mechanischen Prüfung angewandten Parameter sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) und Faser-Matrix-Halbzeug (2) wurden gemäß DIN 1310 hinsichtlich des Faservolumengehaltes untersucht. Aus statistischen Gründen wurden jeweils 5 Prüfkörper untersucht. Dabei wurde für beide Faser-Matrix-Halbzeuge die oben beschriebenen mittleren Faservolumengehalte ermittelt. Beide Faser-Matrix-Halbzeuge wurden weiterhin experimentell hinsichtlich des Porengehaltes, also des Einschlusses von Luft oder Gas, untersucht. Dazu wurde mittels eines Computertomografen Micro CT nanotom S des Herstellers General Electric Aufnahmen eines Querschnitts von Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) und Faser-Matrix- Halbzeug (2) untersucht. Aus statistischen Gründen wurden jeweils drei Prüfkörper untersucht, an denen jeweils 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt wurden. Mittels einer optischen Auswertesoftware konnte bei beiden Faser-Matrix-Halbzeugen ein Porengehalt von 4 - 5% ermittelt werden. Aus statistischen Gründen wurden jeweils drei Prüfkörper untersucht, an denen jeweils 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt wurden.
Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) wurde experimentell hinsichtlich des lokalen Faservolumenanteils untersucht. Dazu wurde mittels eines Computertomografen Micro CT nanotom S des Herstellers General Electric Aufnahmen eines Querschnitts von Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) und Faser-Matrix-Halbzeug (2) untersucht. Es wurde der Glasfasergehalt innerhalb der Proben bis in eine Tiefe von 50 μηι ausgewertet. Aus statistischen Gründen wurden jeweils drei Prüfkörper eines jeden Faser-Matrix-Halbzeugs untersucht, an denen jeweils 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt wurden. Bei Faser-Matrix-Halbzeug (2) wurden bis in eine Tiefe von 50 μηι keine Glasfasern festgestellt, da diese sämtlich von der ungefüllten Oberflächenschicht bedeckt von der Oberfläche abgetrennt vorlagen. Somit betrug der Faservolumenanteil in diesem Bereich 0%. In Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) wurde keine separierende Deckschicht ermittelt, sondern die Glasfaserbündel lagen homogen eingeschlossen und bis an die Oberfläche vor, so dass auch im Bereich zwischen Oberfläche bis in eine Tiefe von 50 μηι der beanspruchte Faservolumenanteil aufgefunden wurde.
Experimentelle Ergeb
Prüfungsparameter Wert
Zustand der Prüfkörper Trocken
(80°C, Vakuumtrockner, ca. 200 h)
Prüfgeschwindigkeit [mm/min] 10
Maximale Kraftaufnahme [kN] 50
Vorkraft [N] 5
Tabelle 1 : Prüfungsparameter im Zugversuc h Als Kriterium für die Verbundfestigkeit wurde die im Zugversuch ermittelte maximal gemessene Kraft definiert. Erste messbare Kraftabfälle wurden durch erste Risse im Material, Ablösevorgänge, Verformungen oder ähnliche Effekte vor Erreichen der Maximalkraft verursacht und erschienen als Kriterium für die Verbundfestigkeit ungeeignet. Die maximal gemessene Kraft wurde bei Versagen der Kopfzugprobe erreicht; sie wird deshalb im Folgenden als Bruchkraft bezeichnet. Grundsätzlich ist zu beachten, dass die Maximalkraft neben der Verbundhaftung und der Geometrie stets auch vom Prüfverfahren und den Prüfbedingungen abhängen kann.
Pro Faser-Matrix-Halbzeug wurden jeweils 10 Rippenabzugprüfungen durchgeführt, um eine statistisch sichere Aussage zu ermöglichen.
Beim Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) (erfindungsgemäß) kam es in allen Fällen zu einem rein kohäsiven Versagen der thermoplastischen Matrix 1 direkt an der obersten Faserhalbzeuglage des Faserhalbzeugs.
Beim Faser-Matrix-Halbzeug (2) (nicht erfindungsgemäß) war dagegen stets ein Mischbruch aus kohäsivem und adhäsiven Versagen in der Grenzschicht zwischen thermoplastischer Matrix 1 und thermoplastischer Matrix 2 zu beobachten. Ein kohäsives Versagen von thermoplastischer Matrix 1 oberhalb der obersten Faserhalbzeuglage war nicht festzustellen.
Beim nicht erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeug (2) war somit die oberflächennahe Schicht (surface) aus thermoplastischer Matrix 2 vom Substrat, bestehend aus Faserhalbzeug und thermoplastischer Matrix 1 , abgerissen, während beim erfindungsgemäßen, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) kein derartiges Trennen innerhalb einer oberflächenparallelen Schicht in der thermoplastischen Matrix 1 zu beobachten war.
Tabelle 2: Statistische Zusammenfassung von 10 Rippenabzugprüfungen Die Bewertung der Ergebnisse erfolgte nach der Höhe der Abzugskraft. Ein „+" kennzeichnet die jeweils höhere Abzugskraft der beiden miteinander verglichenen Faser- Matrix-Halbzeuge, während ein„-„ die niedrigere Kraft kennzeichnet, wobei ein„+" eine um wenigstens 15% höhere Abzugskraft symbolisiert.
Die Prüfungsergebnisse zeigen, dass die Maximalkraft bei den Vergleichen der beiden Faser-Matrix-Halbzeuge beim erfindungsgemäßen einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) stets höher ausfiel, als beim Faser-Matrix-Halbzeug (2) mit geschichtetem Aufbau. Auch der Mittelwert der Einzelprüfungsergebnisse der Messreihe lag beim erfindungsgemäßen, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) deutlich über dem des Faser-Matrix-Halbzeug (2).
Zusammengefasst: Die Rippenabzugsfestigkeit beim erfindungsgemäßen, einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeug (1 ) war deutlich höher, als beim Faser-Matrix-Halbzeug (2), weshalb ein erfindungsgemäßes, einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug, eingesetzt als Türmodul, deutliche Vorteile gegenüber Faser-Matrix-Halbzeugen gemäß dem Stand der Technik aufweist.

Claims

Patentansprüche
1 . Türmodul enthaltend wenigstens ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug worin
1 bis 100 Faserhalbzeuglagen aus Endlosfasern, wobei die Faserhalbzeuglagen jeweils ein Flächengewicht im Bereich von 5 g/m2 bis 3000 g/m2 aufweisen, und die Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast mit einem MVR nach ISO 1 133 im Bereich von 1 cm3/10 min bis 100 cm3/10 min imprägniert ist, wobei der Thermoplast aus der Gruppe der Polyolefine, Vinylpolymerisate, Polyacrylate, Polyamide, Polyurethane, Polyharnstoffe, Polyimide, Polyester, Polyether, Polystyrole, Polyhydantoine, Polyphenylenoxide, Polyarylensulfide, Polysulfone, Polycarbonate, Polyphthalamide, Polymethylmethacrylate, Styrolacrylnitrile), Thermoplastische Elastomere auf Olefinbasis, Thermoplastische Polyurethane und Polyoxymethylene ausgewählt wird, und dieses Faser-Matrix-Halbzeug einen nach DIN 1310 definierten Volumenanteil an Fasermaterialien im Bereich von 5 bis 90 Vol.-% und einen Volumenanteil an Luft oder Gas von weniger als 15 Vol.-%, aufweist.
2. Türmodul gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Matrix- Halbzeug eine Materialstärke im Bereich von 0,05 mm bis 6 mm aufweist.
3. Türmodul gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Vinylpolymerisate aus der Gruppe Polyvinylhalogenide, Polyvinylester und Polyvinylether eingesetzt werden.
4. Türmodul gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyolefine Polyethylen oder Polypropylen eingesetzt werden.
5. Türmodul gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyester Polyethylenterephthalat oder Polybutylenterephthalat eingesetzt werden.
6. Türmodul gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polycarbonate auf Basis von 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)-propan, Bis(4- hydroxyphenyl)sulfon, Dihydroxydiphenylsulfid, Tetramethylbisphenol A, 1 ,1 -Bis(4- hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethylcyclohexan oder 1 ,1 ,1 -Tris(4-hydroxyphenyl)-ethan eingesetzt werden.
7. Türmodul gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyphthalamid PA 6T, PA 10T oder PA 12T eingesetzt werden.
8. Türmodul gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Polyamide mit einer relativen Lösungsviskosität in m-Kresol im Bereich von 2,0 bis 4,0 ausgewählt werden, wobei die Messung der relativen Lösungsviskosität ηΓβι gemäß EN ISO 307 in m-Kresol bei 25°C erfolgt.
9. Türmodul gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polyamid aus der Gruppe PA 66, PA 6 und PA 12 eingesetzt wird.
10. Türmodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast wenigstens einen Thermostabilisator enthält.
1 1 . Türmodul gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Metall basierte Thermostabilisatoren oder organische Thermostabilisatoren eingesetzt werden.
12. Türmodul gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass polyhydrische Alkohole eingesetzt werden.
13. Türmodul gemäß Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Kupferstabilisatoren, vorzugsweise Kupfer(l)halogenide, eingesetzt werden
14. Verfahren zur Herstellung eines Türmoduls, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein einschichtiges Faser-Matrix-Halbzeug gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 einem Formgebungsprozess unterzogen, anschließend ausgehärtet und der Negativform eines Türmoduls entnommen wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Kombination des Herstellungsprozess des einschichtigen Faser-Matrix-Halbzeugs mit dem Formgebungsprozess vor der Formgebung die Verfahrensschritte des Imprägnierens und Konsolidierens und gegebenenfalls Solidifizierens der Gesamtheit aller Faserhalbzeuglagen mit wenigstens einem Thermoplast oder mit einer Thermoplastzusammensetzung vorangestellt wird.
16. Verwendung eines Türmoduls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 in Gebäuden oder in Fahrzeugen.
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