WO2001002471A1 - Langfaserverstärktes thermoplastisches material und verfahren zum herstellen desselben - Google Patents

Langfaserverstärktes thermoplastisches material und verfahren zum herstellen desselben Download PDF

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WO2001002471A1
WO2001002471A1 PCT/DE2000/001928 DE0001928W WO0102471A1 WO 2001002471 A1 WO2001002471 A1 WO 2001002471A1 DE 0001928 W DE0001928 W DE 0001928W WO 0102471 A1 WO0102471 A1 WO 0102471A1
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thermoplastic
fiber
thermoplastic material
polyamide
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PCT/DE2000/001928
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Mathias Lindner
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Fact Future Advanced Composites & Technology Gmbh
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/02—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising combinations of reinforcements, e.g. non-specified reinforcements, fibrous reinforcing inserts and fillers, e.g. particulate fillers, incorporated in matrix material, forming one or more layers and with or without non-reinforced or non-filled layers
    • B29C70/021—Combinations of fibrous reinforcement and non-fibrous material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material

Definitions

  • the present invention relates to a long-fiber-reinforced thermoplastic material and a method for producing long-fiber-reinforced thermoplastics, in which the fibers are impregnated with a first thermoplastic material.
  • Long fibers are generally understood to be fibers with a length of at least 1 mm, preferably of the order of 5 mm or more.
  • Such fiber materials which are also referred to as composite materials, are now used in a very wide variety of ways in the field of mechanical components, in which a low weight and z.
  • B. a high mechanical strength, electrical insulation, or a low or high thermal conductivity to be combined.
  • B. glass fiber or carbon fiber reinforced plastics which are for light, but mechanically highly stressed components such.
  • B. aircraft wings, boat hulls, golf club shafts, technical injection molded parts and the like are used.
  • thermoplastic materials are often also provided as semi-finished goods or semi-finished products, for example by B.
  • a thermoplastic is mixed with appropriate fibers or by impregnating fibers with a thermoplastic, whereupon the material thus produced is then comminuted into pellets or granules, which is then used as a raw material for the production of components of larger dimensions.
  • the pellets or granulate particles are melted, placed in a mold or spread on surfaces and connected to one another in this way.
  • thermoplastic contributes to the favorable formability, elasticity and other desirable properties, such as corrosion resistance, temperature resistance and general chemical resistance
  • thermoplastics which have so far been used for the impregnation of long fibers, are still unsatisfactory in most cases
  • the present invention has for its object to provide a long-fiber reinforced thermoplastic material and a method for producing the same, which offers a considerably broader variation in the mechanical, other physical, chemical and electrical properties that can be achieved than with previously known ones thermoplastic, long fiber reinforced materials was the case
  • the object on which the invention is based is achieved in that the matrix of the material consists of at least two different thermoplastics, the fibers being essentially only wetted by one of the two thermoplastic materials
  • At least 80% of the fibers or the fiber surfaces are preferably wetted with the first of the two thermoplastic materials
  • the second thermoplastic material can then, if necessary, with regard to the physical or chemical properties desired for the end product Properties can be selected
  • the second thermoplastic material can be one which has a higher temperature resistance, a higher compressive strength or generally mechanical strength, a better electrical insulation ability or optionally also a conductivity or a better resistance to certain chemicals depending on the Proportion of the second thermoplastic material can then determine its favorable properties for the end product, whereas the fibers impregnated with the first thermoplastic material contribute a very good tensile strength and thus a high mechanical strength for the material.
  • thermoplastic material which may have a very poor impregnation or wetting ability for the fibers, but can be connected relatively well and easily to the first thermoplastic material.
  • the result is then a material which combines the favorable properties of the long fiber reinforcement with those of the second thermoplastic material, the first thermoplastic material essentially providing only the link between the fibers and the second thermoplastic material.
  • the second thermoplastic material that can be used is one that has poor impregnation or wetting properties for the fibers present in the material. If this impregnation or wetting ability were just as good or even better than for the first thermoplastic material, the fibers could also be coated or coated directly with the second material and the combination of two thermoplastic materials would not be required.
  • thermoplastic materials can also have new favorable properties, which neither of the two materials has in itself, so that the basic idea of the present invention should also include the use of two thermoplastic materials as a matrix for long fibers , even if the individual materials each have good wetting and impregnating properties for the fibers.
  • fibers contained in the material in particular glass carbon, aramid or natural fibers are provided, with the latter z.
  • thermoplastic material which is referred to here as the "first" thermoplastic material
  • the material preferably being selected from the group consisting of polypropylene, Polyamide (polyamide 6, polyamide 66, polyamide 12, polyamide 46), polyethylene, acrylonitrile / butadiene / styrene copolymers, polyphenylene sulfide, polystyrene and polyether ether ketone.
  • Advantageous properties of the material are also obtained when the at least two thermoplastic materials contained in the material are poorly or immiscible and form an inhomogeneous mixture.
  • the inhomogeneities should be relatively small, ie the dimensions of inhomogeneous areas should be smaller than the typical fiber lengths.
  • the fibers which are each wetted well by one of the materials, to bridge inhomogeneous areas in which the other thermoplastic material, which has poor wettability, predominates.
  • the favorable properties provided by the tensile strength of the fibers are retained, while at the same time the favorable properties which the thermoplastic material contributes, which does not bond well with the fibers, are retained in the material.
  • a variant of the invention is preferred, in which the proportion of a first , the fiber wetting material is between 10 and 40% of the matrix material.
  • the first material is polypropylene and the second material is a high quality polyamide, such as. B. PA66, the polypropylene content is between 10 and 40% and the PA content is accordingly 60-90%.
  • the material is given a compatibilizer which increases the connection between the different matrix materials and / or their miscibility. In this way, a more favorable connection of the two poorly miscible materials and thus a greater degree of homogeneity is achieved, so that relatively short fibers in the range of 1-5 mm in length can be used, which easily bridge the correspondingly small inhomogeneous areas.
  • the object on which the invention is based is achieved in that the already impregnated fibers are impregnated again with a second thermoplastic material different from the first material or to be mixed or wrapped.
  • thermoplastic materials which in themselves are not very suitable for a direct connection
  • the length of the fibers to be impregnated is expediently preferably at least 3 or particularly preferably more than 6 mm.
  • the fibers can be supplied in the form of a strand with fibers oriented essentially in the longitudinal direction, but also as a fiber mat in matted form or simply as a fiber mixture with fibers of any orientation.
  • the fibers are first extruded or coated with the first thermoplastic material and, after the thermoplastic material has solidified, optionally also a shaping step, in order to make the entire material, for. B. extruded in a strand with a constant cross-section, it can then be impregnated as a strand with the second thermoplastic material.
  • an embodiment of the production process in which after the solidification and the shaping which may have taken place, the material formed in this way (mostly in the form of a strand) is divided into smaller sections, the length of these sections being at least of the order of magnitude of the middle Fiber length is so as not to unnecessarily shorten the existing fibers.
  • the fibers are particularly long and z. B. well over 6 mm, such as. B. have a length of 25 mm or are more or less continuous fibers, the sections into which the strand formed with the first thermoplastic material is divided can also be shorter than it corresponds to the average fiber length.
  • These divided sections are then mixed with the second material, optionally with heating, and the mixed material is then subjected to a shaping process.
  • Such a shaping process is generally carried out by extrusion, blow molding or injection molding.
  • this mixture is increased only briefly to the melting point or slightly above the melting point of the higher-melting substance , although this can lead to the mixture not becoming completely homogeneous, it is sufficient if the inhomogeneous regions have small dimensions compared to the fibers, ie if e.g. B. alternately smaller areas are present in the material, which consist only of one or only of the other thermoplastic material, but these areas have typical dimensions that are significantly less than the fiber length.
  • Figure 1 schematically shows a process for the production of long fiber reinforced thermoplastics with a matrix of different thermoplastics
  • Figure 2 schematically shows a mixture of a long fiber reinforced thermoplastic
  • FIG. 1 One can see in FIG. 1 on the left a fiber strand 1 which is passed through an extruder 2 with a feed device 3 for a first thermoplastic material, the extruder 2 and the corresponding feed nozzle 3 being shown only roughly schematically here, just like the fiber strand 1 only is shown schematically and passes through the extruders 2 and 4 from left to right.
  • the fiber strand is impregnated and is now referred to as impregnated fiber strand 11, which is passed through a second extruder 4 with a second feed nozzle 5, so that the fiber strand impregnated with the first thermoplastic material 1 1 is coated with the second matrix or the second matrix is applied to the impregnated strand 1 1 and now exits the extruder 4 as a finished fiber strand 21.
  • This procedure is particularly recommended when it can be assumed that the connection between the two thermoplastics is poor and forms a non-homogeneous mixture of the plastics, so that the best possible connection between the two thermoplastics when extruded or encased with the second matrix can be realized.
  • FIG. 2 shows a long fiber-reinforced thermoplastic material with two matrices, which is produced in a slightly different way than the thermoplastic material 21 shown schematically in FIG. 1.
  • the resulting long-fiber-reinforced material 1 1 ' which consists only of the fibers and a first thermoplastic material, is cut into pellets in the form of rods and these pellets or rods are made of the material 1 1' then mixed with a second thermoplastic material 6, as is shown schematically in FIG.
  • This mixture can then be heated again and optionally also extruded in order to produce a close connection between the fiber-reinforced first thermoplastic material 11 'and the second matrix material 6.
  • the material ultimately produced can be inhomogeneous and essentially retain the structure according to FIG. 2 (generally without air gaps), but the fibers in the pellets 11 ′ are the inhomogeneous ones Bridging areas so that when viewed macroscopically, ie at dimensions that are significantly greater than the length of the individual pellets 1 1 ', the material appears homogeneous overall and has properties that combine the properties of conventional fiber-reinforced materials with the properties of the second thermoplastic Material represents, although the second thermoplastic material by itself does not or only poorly connects to fibers and was therefore not conventionally producible as a long fiber reinforced material.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein langfaserverstärktes thermoplastisches Material und ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten thermoplasten, bei welchem die Fasern mit einem ersten thermoplastischen Material imprägniert werden. Dadurch, daß die Matrix des Materials aus mindestens zwei verschiedenen Thermoplasten besteht, wobei die Fasern im wesentlichen nur von einem der beiden thermoplastischen Materialien benetzt sind, wird erreicht, daß das Material eine erhebliche breitere Variationsmöglichkeit in den erzielbaren mechanischen, sonstigen physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften bietet, als dies bei bisherigen bekannten thermoplastischen, langfaserverstärkten Materialien der Fall war.

Description

Langfaserverstärktes thermoplastisches Material und Verfahren zum Herstellen desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein langfaserverstärktes thermoplastisches Material und ein Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Thermoplasten, bei welchem die Fasern mit einem ersten thermoplastischen Material imprägniert werden.
Entsprechende Materialien und Verfahren zur Herstellung derselben sind seit langem bekannt.
Dabei versteht man unter "langen Fasern" im allgemeinen Fasern mit einer Länge von mindestens 1 mm, vorzugsweise in der Größenordnung von 5 mm oder darüber. Derartige Fasermaterialien, die auch als Verbundwerkstoffe bezeichnet werden, finden inzwischen sehr vielfältige Anwendung im Bereich mechanischer Bauelemente, bei denen ein geringes Gewicht und z. B. eine hohe mechanische Festigkeit, elektrische Isolierfähigkeit, oder auch eine geringe oder auch größere Wärmeleitfähigkeit miteinander kombiniert werden sollen. Allgemein bekannt sind z. B. glasfaser- oder kohlenstoffaserverstärke Kunststoffe, die für gleichzeitig leichte, aber mechanisch hochbelastete Bauteile, wie z. B. Flugzeugtragflächen, Bootsrümpfe, Golfschlägerschäfte, technische Spritzgußteile und dergleichen Verwendung finden.
Oftmals werden langfaserverstärkte, thermoplastische Werkstoffe auch als Halbfertigwaren oder Halbzeuge bereitgestellt, indem z. B. ein Thermoplast mit entsprechenden Fasern ve- mischt wird bzw. indem Fasern mit einem thermoplastischen Kunststoff imprägniert werden, woraufhin dieser so hergestellte Werkstoff dann zu Pellets oder einem Granulat zerkleinert wird, welches anschließend als Rohmaterial für die Herstellung von Bauteilen größerer Dimensionen verwendet wird. Hierzu werden die Pellets bzw. Granulatteilchen aufgeschmolzen, in eine Form gegeben oder auf Oberflächen aufgestrichen und auf diese Weise miteinander verbunden.
Allerdings sind die bisher verfügbaren Materialkombinationen für entsprechende langfaserverstärkte Thermoplaste relativ begrenzt. Dies hängt u. a. damit zusammen, daß sich bestimmte Fasern nicht mit jedem thermoplastischen Kunststoff ohne weiteres imprägnieren lassen, so daß der Kunststoff nur sehr schlecht an den Fasern haftet, was andererseits jedoch eine wesentliche Voraussetzung für die Erzeugung der gewünschten kombinierten Eigenschaften solcher Verbundwerkstoffe ist. Dabei sollen die langen Fasern im wesentlichen eine hohe Zugfe- stigkeit gewährleisten, wahrend andererseits der thermoplastische Kunststoff die gunstige Formbarkeit, Elastizität und andere wünschenswerte Eigenschaften, wie z B Korrosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit und allgemeine chemische Widerstandsfähigkeit beitragt
Manche Eigenschaften, wie z B eine gute Oberflache, lassen sich jedoch mit den üblichen langfaserverstarkten Thermoplasten nur sehr schwer erzeugen und erfordern im allgemeinen den Verbund mit zusatzlichen gute Oberflachen erzeugende Materialschichten
Auch die chemische Beständigkeit und Temperaturfestigkeit derjenigen Thermoplaste, die sich bisher für die Imprägnierung langer Fasern bewahrt haben, lassen in den meisten Fallen noch zu wünschen ubπg
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein langfaserverstarktes thermoplastisches Material und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, welches eine erheblich breitere Vaπationsmoghchkeit in den erzielbaren mechanischen, sonstigen physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften bietet, als dies bei bisherigen bekannten thermoplastischen, langfaserverstarkten Materialien der Fall war
Hinsichtlich des langfaserverstarkten thermoplastischen Materials selbst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelost, daß die Matrix des Materials aus mindestens zwei verschiedenen Thermoplasten besteht, wobei die Fasern im wesentlichen nur von einem der beiden thermoplastischen Materialien benetzt sind
D h vorzugsweise sind mindestens 80 % der Fasern bzw der Faseroberflachen mit dem ersten der beiden thermoplastischen Materialien benetzt
Dies hat den Vorteil, daß ein Verarbeitungsschritt, nämlich das Mischen oder "Blendmg" in einem Extruder oder einer ähnlichen Maschine wegfallt
Auf diese Weise ist es möglich, die Fasern mit einem ersten thermoplastischen Material zu imprägnieren bzw zu vermischen, welches eine gute Benetzungsfahigkeit und Impragnierfahikeit für die betreffenden Fasern hat Das zweite thermoplastische Material kann dann nach Bedarf im Hinblick auf die für das Endprodukt gewünschten physikalischen oder chemischen Eigenschaften ausgewählt werden Beispielsweise kann das zweite thermoplastische Material eines sein, welches eine höhere Temperaturbeständigkeit, eine höhere Druckfestigkeit oder allgemein mechanische Festigkeit, eine bessere elektrische Isolationsfahigkeit oder wahlweise auch Leitfahiαkeit oder eine bessere Bestandiαkeit αeαen bestimmte Chemikalien hat Je nach dem Anteil des zweiten thermoplastischen Materials können dann dessen günstige Eigenschaften für das Endprodukt ausschlaggebend sein, wohingegen die mit dem ersten thermoplastischen Material imprägnierten Fasern eine sehr gute Zugfestigkeit und damit eine hohe mechanische Belastbarkeit für das Material beisteuern. Für das zweite thermoplastische Material kann dann eines ausgewählt werden, welches möglicherweise eine sehr schlechte Imprägnierfähigkeit oder Benetzungsfähigkeit für die Fasern hat, sich jedoch mit dem ersten thermoplastischen Material relativ gut und leicht verbinden läßt. Das Ergebnis ist dann ein Material, welches die günstigen Eigenschaften der Langfaserverstärkung mit denen des zweiten thermoplastischen Materials vereint, wobei das erste thermoplastische Material im wesentlichen nur das Bindeglied zwischen den Fasern und dem zweiten thermoplastischen Material bereitstellt.
Es versteht sich, daß demzufolge als zweites thermoplastisches Material vor allem ein solches in Frage kommt, welches eine schlechte Imprägnierfähigkeit bzw. Benetzungsfähigkeit für die in dem Material vorhandenen Fasern hat. Wäre diese Imprägnier- bzw. Benetzungsfähigkeit ebenso gut oder gar besser als für das erste thermoplastische Material, so könnten die Fasern auch unmittelbar mit dem zweiten Material umhüllt oder beschichtet werden und es bedürfte der Kombination zweier thermoplastischer Materialien nicht.
Allerdings kann auch die spezielle mehr oder weniger homogene Mischung zweier thermoplastischer Materialien neue günstige Eigenschaften aufweisen, die keines der beiden Materialien für sich hat, so daß grundsätzlich auch die gemeinsame Verwendung zweier thermoplastischer Materialien als Matrix für Langfasern von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung umfaßt sein soll, auch wenn die einzelnen Materialien jedes für sich eine gute Benetzungs- und Imprägnierfähigkeit für die Fasern aufweisen.
Als in dem Material enthaltene Fasern sind insbesondere Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Naturfasern vorgesehen, wobei zu letzteren z. B. Materialien wie Flachs, Hanf oder Jute zählen, und wobei auch Mischungen aus allen vorgenannten Fasermaterialien verwendbar sind.
Selbstverständlich ist es angesichts der vorstehenden Erläuterungen zweckmäßig, wenn mindestens eines der thermoplastischen Materialien, welches hier als "erstes" thermoplastisches Material bezeichnet wird, ein die Fasern gut benetzendes Material ist, wobei das Material vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Polypropylen, Polyamid (Polyamid 6, Polyamid 66, Polyamid 12, Polyamid 46), Polyethylen, Acrylnitril/Butadien/Styrolcopoly- meren, Polyphenylensulfid, Polystyrol und Polyether-Etherketon. Vorteilhafte Eigenschaften des Materials erhält man auch dann, wenn die mindestens zwei in dem Material enthaltenen thermoplastischen Materialien schlecht bzw. nicht mischbar sind und eine inhomogene Mischung bilden. Dabei versteht es sich, daß die Inhomogenitäten relativ klein sein sollten, d. h. die Abmessungen inhomogener Bereiche sollten kleiner sein als die typischen Faserlängen. Auf diese Weise ist es möglich, daß die Fasern, die von jeweils einem der Materialien gut benetzt werden, inhomogene Bereiche, in welchen im wesentlichen das jeweils andere thermoplastische Material vorherrscht, welches eine schlechte Benetzungsfähigkeit aufweist, überbrücken. Auf diese Weise bleiben die günstigen Eigenschaften, die durch die Zugfestigkeit der Fasern geliefert werden, erhalten, während gleichzeitig auch die günstigen Eigenschaften, die das thermoplastische Material beiträgt, welches sich nicht so gut mit den Fasern verbindet, in dem Material erhalten bleiben. Um ein günstiges Verhältnis zwischen den Fasern, welche einen ersten Teil der gewünschten Eigenschaften zu dem Material beitragen, und dem zweiten thermoplastischen Material, welches die weiteren günstigen Eigenschaften liefern soll, zu erhalten, ist eine Variante der Erfindung bevorzugt, bei welcher der Anteil eines ersten, die Fasern gut benetzenden Materials zwischen 10 und 40 % des Matrixmaterials beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das erste Material Polypropylen und das zweite Material ein Polyamid hoher Qualität, wie z. B. PA66 ist, wobei der Polypropylenanteil zwischen 10 und 40 % liegt und der PA-Anteil dementsprechend 60 - 90 % beträgt.
Zweckmäßig kann es außerdem sein, wenn das Material einen Kompatibilisator erhält, der die Verbindung zwischen den verschiedenen Matrixmaterialien und/oder deren Mischbarkeit erhöht. Auf diese Weise erreicht man eine günstigere Verbindung der beiden schlecht mischbaren Materialien und damit ein größeres Maß an Homogenität, so daß auch relativ kurze Fasern im Bereich von 1 - 5 mm Länge verwendet werden können, die die entsprechend kleinen inhomogene Bereiche ohne weiteres überbrücken.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung von langfaserverstärkten Thermoplasten, bei welchem die Fasern mit einem ersten thermoplastischen Material imprägniert werden, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die bereits imprägnierten Fasern nochmals mit einem zweiten, von dem ersten Material verschiedenen thermoplastischen Material imprägniert bzw. vermischt oder umhüllt werden.
Dieses Verfahren ermöglicht die Kombination der Eigenschaften von Fasern mit thermoplastischen Materialien (die an sich nicht sehr gut für eine direkte Verbindung geeignet sind), ohne daß ein Verarbeitungsschritt, in dem die Thermoplasten miteinander gemischt werden, nötig ist.
Zweckmäßigerweise beträgt die Länge der zu imprägnierenden Fasern vorzugsweise mindestens 3 oder besonders bevorzugt mehr als 6 mm. Die Fasern können in Form eines Stranges mit im wesentlichen in Längsrichtung ausgerichteten Fasern, aber auch als Fasermatte in ver- filzter Form oder auch einfach als Fasermischung mit beliebig orientierten Fasern zugeführt werden. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Fasern zunächst mit dem ersten thermoplastischen Material aufextrudiert oder umhüllt und nach der Verfestigung des thermoplastischen Materials, gegebenenfalls auch einem Formgebungsschritt, um das gesamte Material z. B. in einem Strang mit konstantem Querschnitt zu extrudieren, kann es dann als Strang mit dem zweiten thermoplastischen Material erneut imprägniert werden. In den meisten Anwendungsfällen ist jedoch eine Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens bevorzugt, bei welchem nach der Verfestigung und der gegebenenfalls erfolgten Formgebung das so entstandene Material (zumeist in Form eines Stranges) in kleinere Abschnitte zerteilt wird, wobei die Länge dieser Abschnitte mindestens in der Größenordnung der mittleren Faserlänge liegt, um nicht die vorhandenen Fasern unnötig zu kürzen. Wenn allerdings die Fasern besonders lang sind und z. B. deutlich über 6 mm, wie z. B. 25 mm Länge haben oder mehr oder weniger kontinuierliche Fasern sind, so können die Abschnitte, zu denen der mit dem ersten thermoplastischen Material gebildete Strang zerteilt wird, auch kürzer sein als es der mittleren Faserlänge entspricht. Diese zerteilten Abschnitte werden dann mit dem zweiten Material vermischt, gegebenenfalls unter Erhitzung, und das gemischte Material wird dann einem Formgebungsprozeß unterzogen.
Ein solcher Formgebungsvorgang erfolgt im allgemeinen durch Extrusion, Blasformen oder Spritzgießen. Bei manchen Mischungen thermoplastischer Materialien kann es zweckmäßig sein, daß nach dem Vermischen des ersten faserverstärkten Materials mit dem zweiten Material (in einem Zustand unterhalb des Schmelzpunktes beider Materialien) diese Mischung nur kurzfristig auf den Schmelzpunkt oder geringfügig über den Schmelzpunkt der höher schmelzenden Substanz erhöht wird. Dies kann zwar dazu führen, daß die Mischung nicht vollständig homogen wird, es reicht jedoch aus, wenn die inhomogenen Bereiche im Vergleich zu den Fasern kleine Abmessungen haben, d. h. wenn z. B. wechselweise kleinere Bereiche in dem Material vorhanden sind, die nur aus dem einen oder nur aus dem anderen thermoplastischen Material bestehen, diese Bereiche aber typische Abmessungen haben, die deutlich unter der Faserlänge liegen. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren.
Es zeigen:
Figur 1 schematisch ein Verfahren zur Herstellung langfaserverstärkter Thermoplaste mit einer Matrix aus verschiedenen Thermoplasten und Figur 2 schematisch eine Mischung aus einem langfaserverstärkten thermoplastischen
Material mit einer zweiten Matrix.
Man erkennt in Figur 1 links einen Faserstrang 1 , der durch einen Extruder 2 mit einer Zuführeinrichtung 3 für ein erstes thermoplastisches Material hindurchgeführt wird, wobei der Extruder 2 und die entsprechende Zuführdüse 3 hier nur grob schematisch dargestellt sind, ebenso wie auch der Faserstrang 1 nur schematisch dargestellt ist und die Extruder 2 und 4 von links nach rechts durchläuft. Nach dem Hindurchtreten durch den Extruder 2 und durch die Zuführdüse 3 ist der Faserstrang imprägniert und wird nunmehr als imprägnierter Faserstrang 1 1 bezeichnet, der durch einen zweiten Extruder 4 mit einer zweiten Zuführdüse 5 hindurchgeführt wird, so daß der mit dem ersten thermoplastischen Material imprägnierte Faserstrang 1 1 mit der zweiten Matrix umhüllt bzw. die zweite Matrix auf den imprägnierten Strang 1 1 aufgetragen wird und nunmehr als fertiger Faserstrang 21 aus dem Extruder 4 austritt. Diese Vorgehensweise empfiehlt sich vor allem dann, wenn anzunehmen ist, daß die Verbindung zwischen den zwei Thermoplasten schlecht ist und eine nicht homogene Mischung der Kunststoffe bildet, so daß beim Aufextrudieren bzw. Umhüllen mit der zweiten Matrix schon eine möglichst gute Verbindung zwischen den zwei Thermoplasten realisiert werden kann.
In Figur 2 ist ein langfaserverstärktes thermoplastisches Material mit zwei Matrizen dargestellt, welches auf eine etwas andere Weise hergestellt ist, als das in Figur 1 schematisch dargestellte thermoplastische Material 21 . In diesem Fall wird nämlich nach dem ersten Imprägnier- und Extrudierschritt das entstandene, langfaserverstärkte Material 1 1 ', welches nur aus den Fasern und einem ersten thermoplastischen Material besteht, zu Pellets in Stäbchenform zerschnitten und diese Pellets oder Stäbchen aus dem Material 1 1 ' werden dann mit einem zweiten thermoplastischen Material 6 vermischt, wie es in Figur 2 schematisch dargestellt ist. Diese Mischung kann dann nochmals erwärmt und gegebenenfalls auch extrudiert werden, um eine enge Verbindung zwischen dem faserverstärkten ersten thermoplastischen Material 1 1 ' und dem zweiten Matrixmaterial 6 zu erzeugen. Dabei kann das endgültig entstehende Material zwar inhomogen sein und im wesentlichen die Struktur gemäß Figur 2 behalten (im allgemeinen ohne Luftzwischenräume), wobei iedoch die Fasern in den Pellets 1 1 ' die inhomoαenen Bereiche überbrücken, so daß das Material bei makroskopischer Betrachtung, d. h. bei Abmessungen, die deutlich größer sind als die Länge der einzelnen Pellets 1 1 ', insgesamt homogen erscheint und Eigenschaften hat, die eine Kombination der Eigenschaften üblicher faserverstärkter Materialien mit den Eigenschaften des zweiten thermoplastischen Materials darstellt, obwohl das zweite thermoplastische Material für sich gesehen sich nicht oder nur schlecht mit Fasern verbindet und dadurch herkömmlich nicht als langfaserverstärktes Material herstellbar war.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Langfaserverstärktes thermoplastisches Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix des Materials aus mindestens zwei verschiedenen Thermoplasten besteht, wobei die Fasern im wesentlichen nur von einem der beiden thermoplastischen Materialien benetzt sind.
2. Material nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine der Substanzen, aus welchen die Matrix besteht, eine schlechte Imprägnierfähigkeit bzw. Benetzungsfähigkeit für die in dem Material vorhandenen Fasern hat.
3. Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Material enthaltenen Fasern aus Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Naturfasern, wie z. B. Flachs, Hanf oder Jute, oder aus Mischungen der vorgenannten Fasermaterialien bestehen.
4. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ein die Fasern gut benetzendes Material enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polypropylen, Polyamid (Polyamid 6, Polyamid 66, Polyamid 1 2, Polyamid 46), Polyethylen, Acrylnitril/Butadien/Styrol-copolymeren, Polyphenylensulfid, Polystyrol und Polyether-Etherketon besteht.
5. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite thermoplastische Substanz die Faser nicht unmittelbar oder nicht in nennenswertem Umfang benetzt.
6. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei darin enthaltenen thermoplastischen Materialien schlecht bzw. nicht mischbar sind und eine inhomogene Mischung bilden.
7. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Fasern in dem ersten thermoplastischen Material dem Gewicht nach mehr als 10% beträgt.
8. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil eines ersten, die Fasern gut benetzenden Materials zwischen 1 0 und 40% des Matrixmaterials beiträgt.
9. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material Polypropylen und das zweite Material Polyamid hoher Qualität, wie z. B. PA- 66 ist, wobei der PP-Anteil 10 bis 40% und der PA-Anteil dementsprechend 60 bis 90% beträgt.
10. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Kompatibilisator enthält, der die Bindung zwischen den verschiedenen Matrixmaterialien und/oder deren Mischbarkeit erhöht.
1 1 . Verfahren zum Herstellen von langfaserverstärkten Thermoplasten, bei welchen die Fasern mit einem ersten thermoplastischen Material imprägniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die bereits imprägnierten Fasern nochmals mit einem zweiten, von dem ersten Material verschiedenen thermoplastischen Material umhüllt oder aufextru- diert bzw. vermischt werden.
1 2. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Fasern im Mittel mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 oder mehr als 6 mm beträgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 oder 1 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Imprägnieren der Fasern mit dem ersten thermoplastischen Material und nach einem Formgebungs- und Verfestigungsschritt das Material in kleinere Abschnitte zerteilt wird, deren Länge in der Größenordnung der mittleren Faserlänge liegt, wobei diese zerteilten Abschnitte mit dem zweiten Material vermischt, gegebenenfalls erhitzt und gemeinsam einem Formgebungsprozess unterzogen werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung durch Extrusion, Blasformen oder Spritzgießen erfolgt.
1 5. Verfahren nach Anspruch 1 3 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Vermischen des ersten, faserverstärkten Materials mit dem zweiten Material die Mischung nur kurzfristig auf oder geringfügig über den Schmelzpunkt der höher schmelzenden Substanz erhöht wird.
PCT/DE2000/001928 1999-07-06 2000-06-09 Langfaserverstärktes thermoplastisches material und verfahren zum herstellen desselben WO2001002471A1 (de)

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