WO2005099985A1 - Faseranordnung, bestehend aus fasern, welche mit einer beschichtung bestehend aus expandiertem kunststoff beschichtet sind - Google Patents

Faseranordnung, bestehend aus fasern, welche mit einer beschichtung bestehend aus expandiertem kunststoff beschichtet sind Download PDF

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WO2005099985A1
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fiber
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plastic
coated
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Theo STÄHELI
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    • B29L2015/00—Gear wheels or similar articles with grooves or projections, e.g. control knobs

Definitions

  • Fiber arrangement consisting of fibers which are coated with a coating consisting of expanded plastic
  • the present invention relates to a cotton-like fiber arrangement, consisting of fibers, preferably consisting of continuous fibers and / or long fibers, which are coated with a coating consisting of expanded plastic or a mixture of expanded plastics, and this coating of a thermoplastic polymer powder, in which optionally Additives are incorporated, or consists of a thermosetting plastic powder or plastic powder starting mixture, and methods for their preparation.
  • the fiber arrangement according to the invention can be processed, in particular, into molded parts and components.
  • Fiber strands (rovings) coated with plastic based on continuous fibers for example also in the form of
  • Fiber strands preferably consist of essentially parallel coated continuous fibers; Analogously, long fibers preferably consist of coated and cut long fibers oriented essentially in parallel.
  • fiber strands, which consist of continuous fibers are usually coated with a plastic or a mixture of plastics, which can contain various additives, and in further processing stages, depending on the intended use, to form threads, granules, molded parts or processed into pultruded or extruded profiles.
  • thermosetting tangled fiber polyester molding compositions are known under the name Bulk Molding Co pounds (BMC).
  • Tangled fiber molding compositions based on phenol, epoxy, melamine resins and on the basis of various thermoplastics are also known. These solid resin products have a low bulk density and are not suitable for automated processing.
  • fibers with an average length in the range of approximately 0.2-0.6 mm in length are referred to as “short fibers” or “short fibers”.
  • Fibers with an average length of more than 0.6 mm in length in particular fibers with an average length in the range from more than 0.6 mm in length to about 50 mm in length, are referred to here as “long fibers” or "long fibers”.
  • the term “long fibers” also includes fibers with an average length of more than 50 mm in length, which behave in the same or similar manner as fibers with an average length in the range from more than 0.6 mm in length to approximately 50 mm in length.
  • Continuous fibers are fibers which are so long that, for example can be rolled up on a spool and can be up to 50 km long.
  • the individual coating components located in the fluidized bed optionally also being mixed in the fluidized bed, so that any separation of the individual components is prevented.
  • the coated fibers are then preferably melted at least partially in a continuous furnace, for example by means of IR radiation, and then cooled again.
  • fibers result which, when processed into threads and molded parts, in particular those with a high fiber content, result in a high dispersion of the strength values and numerous local weak points on the thread formed and on the molded part. This is due in particular to local differences in the way the fiber is covered with plastic.
  • Thermosetting molding compositions result in finished molding compositions which have a resin content of about 30-35% by weight and a correspondingly high fiber content, while in the case of short fiber compounds the fiber content is only about 20-30% by weight Average fiber length after the shear stress during compounding is still about 0.4-0.8 mm 8-12kj / m 2 impact strength values of 3-4kj / m 2 reached.
  • the flexural modulus is 10-16 N / mm 2 * 10 "6 .
  • thermoplastic polymer powders in which if additives are incorporated, or thermosetting plastic powder or thermosetting plastic powder starting mixtures.
  • thermosetting plastic powders or thermosetting plastic powder starting mixtures are preferred.
  • the fiber arrangement obtained after the expansion of the fiber coating is then in a form similar to cotton. If a granulate is expanded according to the invention, a cotton-like product is obtained in which the long fibers are spatially uniform, i.e. as tangled fibers are distributed. In further processing, this results in products that have more balanced properties and higher mechanical strength in all directions.
  • the invention relates to a cotton-like fiber arrangement consisting of coated continuous fibers and / or long fibers which are coated with a coating consisting of plastic or a mixture of plastics, characterized in that (i) the coating consists of a thermoplastic polymer powder, in which additives are optionally incorporated and / or consists of a thermosetting plastic powder or plastic powder starting mixture, and (ii) the coating is in an expanded state.
  • Continuous fibers and / or long fibers in the form of carbon, glass or ceramic fibers, as well as in the form of selected plastic fibers and vegetable fibers, as described later in the present text, are preferred with plastic.
  • the invention further relates to a production method for producing the fiber arrangement according to the invention.
  • the continuous fibers coated with plastic can be used as such, ie in the form of continuous fibers coated with plastic, or as prepregs, as the starting material for the expansion of the fiber coating. If the coating of long fibers is expanded, these are generally available as a starting material in the form of granules which have been obtained from coated continuous fibers.
  • Such coated continuous fibers and such granules consisting of coated long fibers are known per se.
  • the granules, or the long fibers contained therein preferably have a length in the range from 2 mm to 25 mm, preferably in the range from 5 mm to 15 mm and preferably in the range from 7 mm to 14 mm.
  • the invention also relates to the use of the fiber arrangement according to the invention in further processing stages, depending on the intended use, in particular for the production of molded parts or of pultruded or extruded profiles.
  • the present invention also relates to the molded parts and pultruded or extruded profiles produced in this way.
  • the above-mentioned coated individual continuous fibers, or the individual fiber strands in the composite can have been coated in the melt-coating process, in the wet-coating process and / or in the dry-coating process Fibers used as the starting material were applied in a dry coating process. If the fibers to be treated were coated in a fluidized bed using the dry coating method, the grain size distribution of the fiber coating or of the coating components in the dry coating is preferably in the range from 30 ⁇ m to 300 ⁇ m, preferably in the range from 50 ⁇ m to 250 ⁇ m. The main average grain size is preferably around 50um-150um.
  • the procedure is preferably such that the coated continuous fibers or the granules are heated in a closed volume under pressure to a sufficiently high temperature , so that at this temperature the volatile components present in the coating when the increased pressure is removed and preferably also when the available volume is increased, preferably when the increased pressure is rapidly reduced to normal pressure, escape from the coating at high speed and thus this expand. It is heated in a closed, as small as possible, volume under pressure, preferably to at least the softening temperature of the fiber coating, i.e.
  • the fiber coating usually to at least about 100 ° C, preferably to a temperature at which the fiber coating is liquid or in a low-viscosity state. Depending on the coating material used, this is approximately 140 ° C.-390 ° C., preferably approximately 150 ° C.-250 ° C. and preferably approximately 180 ° C.-220 ° C. It is preferable to heat about 20 ° C.-80 ° C. above the softening point
  • a pressure apparatus is preferably used for this process, the heating of the fibers being achieved, for example, by heating the vessel wall, by means of circulating air or IR radiation.
  • the process pressure at elevated temperature within the closed volume is determined by the pressure exerted by the volatiles at this temperature and the size of the closed volume and is generally 400 at - 2000 atm, preferably 500 atm - 800 atm.
  • the present invention relates to a process for the production of the fiber arrangement according to the invention similar to fiber, consisting of continuous fibers and / or long fibers, which are provided with an expanded coating consisting of plastic or a mixture of plastics, characterized in that coated continuous fibers , and / or long fibers in the form of granules, which are coated with a fiber, consisting of unexpanded plastic or a mixture of unexpanded plastics, preferably of a thermoplastic polymer powder, in which additives are optionally incorporated, and / or of a duro- plastically curable plastic powder or plastic powder starting mixture are provided, heated in a closed volume under pressure to a sufficiently high temperature, then reduced the increased pressure to normal pressure, so that the volatile constituents in En Distance of the increased pressure escape from the coating at high speed and expand it in this way.
  • the increased pressure is preferably reduced to normal pressure by opening the closed volume, so that at the same time an enlarged volume is available for the escape of the volatile components.
  • the fiber coating consists of a thermoplastic polymer powder, in which additives are worked, this coating can usually be expanded under the specified conditions without the addition of other auxiliaries.
  • a thermoplastic polymer powder can be used as the coating material, into which a component which is volatile at the specified temperature has additionally been incorporated (compounded), which may be necessary in the case of thermoplastics with a high melt viscosity.
  • a component can be, for example, a solvent, such as a saturated or unsaturated hydrocarbon, an ester compound, such as, for example, an acetate of the formula (C 2 - 4 ) alkyl-0 (0) CCH 3 or a ketone with a boiling point, preferably in the range from 60 ° C-180 ° C. In practice, this creates a pressure in the closed volume, which is mainly given by the partial pressure exerted by the volatile constituents and the size of the closed volume.
  • the fiber coating consists of a commercially available thermosetting plastic powder or plastic powder starting mixture which is not or only slightly hardened, these generally always contain fractions which are volatile at the specified elevated temperatures. These portions escape at the specified elevated temperature as soon as the increased pressure has been removed and, preferably, the available volume has also been increased. If the polymer does not contain any corresponding proportions, the same compounds can be added as volatile constituents to the thermosetting plastic powder or plastic powder starting mixture which have been mentioned above for the thermoplastic coating materials.
  • all fibers known per se can be used as fibers, as which the fiber strands are formed. be used, which are known for the production of materials.
  • Such fibers have a melting point which is preferably at least 100 ° C. higher than the melting point or softening point of the coating polymer.
  • Examples are synthetic inorganic fibers known per se, in particular glass or ceramic fibers, C fibers, plastic fibers, in particular aramid fibers (aromatic polyamide), zylon fibers (PBO) 28 dtex (0.028 gr / m), or natural fibers, in particular cellulose fibers.
  • the filament thickness is preferably about 5 ⁇ m to 20 ⁇ m and about 100 tex-4800 tex (0.1 g / m-4.8 g / m), preferably 600 tex-2400 tex, as is usually used.
  • known plastics as a compound or as a premix
  • thermosetting molding compositions known per se preferably as a premix
  • Thermoplastic molding compositions or plastics and their additives are known in large numbers from the literature.
  • Synthetic thermoplastic polymers are preferably selected from the group of polyolefins, preferably polyethylene, in particular HDPE, or polypropylene (PP); polycarbonates; Polyoxymethylene (POM); Polyethylene terephthalate (PET); Polybutylene terephthalate (PBT); Polyethylene sulfide (PES); Polyphenylene oxides (PPO); Polyphenylene sulfide (PPS); PSO; PVDS; thermoplastic polycondensation, seeds, preferably polyesters and polyamides, such as polyamide 66, polyamide 12, among others; polyvinyl acetates; polystyrenes; Polyacrylic acid esters; polymethacrylic; Alkylene / acrylic acid copolymers or alkylene / methacrylic acid copolymers, preferably ethylene / acrylic acid copolymers; PEEK (poly (aryl ether ether ketone) and PEK (polaryly ether ketone), alkylene / maleic an
  • HDPE high density polyethylene
  • PP polycarbonate
  • POM polymethyl methacrylate
  • PET PET
  • PBT polyethylene
  • PES polystyrene
  • PPO polystyrene
  • PPS polystyrene
  • PVDS thermoplastic polyamides
  • Synthetic polymers with a softening point of 100 ° C. or higher are preferred, preferably in the range from 140 ° C. to 390 ° C. and particularly in the range from 150 ° C. to 350 ° C.
  • Thermosetting plastics in the form of polycondensates are, for example, curable phenol / formaldehyde plastics (PF casting resins), curable bisphenol resins, curable urea / formaldehyde plastics (UF molding compounds), polyimides (PI), BMI molding compounds and polybenzimidazoles (PBI).
  • Thermosetting plastics in the form of polyadducts are, for example, epoxy resins (EP), molding compounds made from unsaturated polyester resins (UP molding compounds), DAP resins (polydiallyl phthalate), MF molding compounds, e.g. curable Mela in / phenol / formaldehyde molding compounds, or cross-linked polyurethanes (PUR).
  • thermosetting plastic powders or the plastic powder starting mixture are either uncrosslinked or uncured or very little cured
  • Powder is applied to the fibers and then expanded. Even after the expansion, this expanded fiber coating is present as an essentially uncured coating which can be further processed and cured.
  • thermosets release agents, lubricants, fillers, pigments, adhesion promoters, stabilizers and inhibitors
  • additives for thermoplastic molding compositions or plastics and for thermosetting plastics in the form of polycondensates or polyadducts are.
  • Such connections are known per se, as are those for the coating preferred compositions to be used according to the present invention.
  • the plastics mentioned can be applied to the fiber strands in the melting process or directly from the melt or in the wet process, that is to say dissolved in a suitable solvent, or in the dry coating process as described at the beginning as a coating with a suitable apparatus known per se become.
  • Such devices and the process conditions are known to the person skilled in the art.
  • Figure 1 and la each illustrate a diagram of a device for the production of the inventive fiber arrangement of duroplas coated long fibers.
  • Figure 2 illustrates a tool for the integrated expansion-compression of coated long fibers for the production of a gear.
  • FIG. 2a illustrates a pump slide (not integrated) as an experimental tool.
  • FIG. 3 shows a gear wheel that can be produced from the fiber arrangement according to the invention.
  • Figure 4 shows the impact strength and flexural strength of KINEL SK 4504 S12 with 56% 12 mm C fibers and KINEL SK 4502 S8 with 56% 8 mm C fibers in comparison (granules and expanded granules)
  • the fiber arrangement according to the invention can contain continuous fibers and / or long fibers. If the fiber arrangement contains long fibers, these are in the form of a tangled fiber arrangement.
  • the fiber arrangement according to the invention can be processed further in various ways, in particular for the production of molded parts in the form of composite materials which are very stable, have a very low specific weight, ie a low density, and are easy to process.
  • According to the invention during the Compression and / or expansion process uses molds from which the gases present or developing can escape in the process, so that moldings with a higher density are produced. Diesel effects, ie gas burns or combustion processes of enclosed volatile components, within the molding compound during the compression of the molding compound in the mold, therefore do not occur.
  • the physical properties achieved thereby depend to a large extent on the degree of compaction to which the fiber arrangement according to the invention has been fused or cured in the molded part produced therefrom. If the fiber arrangement is very strongly compressed, fused and / or cured under high pressure and at elevated temperature, so that the product obtained contains practically no air inclusions, a molded part with the highest density and strength is obtained. If the fibers in the fiber arrangement according to the invention are only slightly pressed together, sintered and / or cured, an air-permeable molded part with a lower specific weight and with other physical properties is obtained.
  • the properties of a molded part produced from the fiber arrangement according to the invention can be varied considerably within this range, which is not a problem for the person skilled in the art.
  • the volume ratio of the original unexpanded coating volume to the pure fiber volume is in the range from 9: 1 to 1: 4, preferably in the range from 6: 1 to 2: 3 and preferably in the range from 1: 4 to 1: 6.
  • Shaped bodies can thus be obtained which have a fiber content in the upper range from 60% by weight to about 80% by weight, preferably up to about 75% by weight, of fiber material on the total weight of fiber material plus plastic.
  • the fiber arrangement according to the invention contains only or predominantly coated continuous fibers or comparatively long fibers in the range from at least 5 mm, preferably at least 10 mm, to the range defined as continuous fiber, then it is preferably possible to use them to produce molded parts and components as a composite material, preferably sheet-like molded articles - Manufacture by, for the industry in general, such as for the construction, car, aircraft and / or shipbuilding industry. Examples include: plastic gears, worm gears, gear housings, plain bearings, or steel spare parts.
  • the fiber arrangement according to the invention contains only or predominantly long fibers, that is to say fibers in the range of 5-20 mm in length, preferably in the range of 8-16 mm and in particular in the range of 10-14 mm in length
  • a composition according to the invention is obtained in which the Long fibers are present as so-called tangled fibers, that is, they are distributed uniformly, isotropically in all directions.
  • This isotropic structure of the fiber material enables processing into molded parts with excellent properties, which are clearly superior to the properties of identical molded parts known per se.
  • Preferred examples of this are plastic gears, worm gears, gear housings, slide bearings, threaded spindles, steel spare parts, implants, air-permeable abrasives for processing wood, plastic and metals.
  • the present invention also relates to a method for producing moldings from the fiber arrangement according to the invention, characterized in that (i) the introduces the required amount of fiber arrangement according to the invention (provided with an expanded fiber coating) into a heatable pressing tool, (ii) the fiber coating sinters under the required pressure and the required temperature, and (iii) if the fiber coating consists of a thermosetting starting material, this hardens, and (iv) removes the pressed molded body from the pressing tool.
  • the moldings produced in this way have the following advantages in comparison with moldings pressed or injection molded in a conventional manner: the bending strength and the impact and notch impact strengths are significantly increased; the fiber distribution and alignment in the molded part is improved; the range of strength values is greatly narrowed; the molding distortion is less; the crackling limit in the bending test is very high; Weak spots with small wall thicknesses, as are observed with conventional long fiber reinforced, are less common; the spread of strength and weight loss after warm storage are less. Due to the good fiber distribution, the stress concentration in the molded part is lower. The flow resistance is reduced so that longer flow paths can be reached. The geometrical shrinkage differences are very small. Tool wear is significantly less than with conventional processing methods.
  • the fiber arrangement according to the invention is very suitable for the production of gear wheels, starting from a fiber arrangement according to the invention in tangled fiber form in the hub area containing long fibers with a Length in the range of 2mm-25mm, preferably in the range of 5mm-15mm and preferably in the range of 7mm-14mm.
  • Plastic gearwheels are mainly used in gearboxes with low and medium loads.
  • the main advantages of plastic gears compared to steel gears are: economical production in the injection molding process, the possibility of unlubricated operation, the damping of vibrations, low-noise operation, weight saving and good corrosion resistance.
  • plastic gears made of known thermoplastics compared to steel gears are: low load capacity, failure due to broken teeth, limited temperature range, non-existent fatigue strength, limited dimensional stability, limited dimensional stability, high thermal expansion and radial runout. Higher application temperatures in many gear applications in the automotive industry also require higher temperature and wear resistance.
  • Plastic gearwheels produced from a fiber arrangement according to the invention, coated with epoxy resin, with approximately 12 mm long carbon fibers present as tangled fibers, have surprisingly. good mechanical and physical properties. In this sense, the present invention also relates to such gears.
  • the gearwheels according to the invention achieve a close manufacturing tolerance in the area of the teeth and high dimensional stability of the gearwheel.
  • the linear coefficient of thermal expansion for the gears according to the invention is Periphery of the gear only 6xl0 '6.
  • the impact and notched impact strength in the tooth is increased as compared to known toothed wheels made of composite materials' by a multiple.
  • Gears based on composite materials, manufactured according to the present invention have the following special properties compared to corresponding injection-molded gears: high load-bearing capacity; no failure due to broken teeth; very wide temperature range (-60 ° C to 200 ° C); high cold resistance ' (down to -60 ° C); high and constant tooth stiffness; high compressive strength; high fatigue strength; high dimensional stability under unfavorable climatic conditions; very good dimensional accuracy; large wall thickness differences realizable; very low thermal expansion ( ⁇ steel); low geometric errors and eccentricities; very high crush resistance and low creep under load.
  • Example 1 (Expanding a Granulate) a) A fiber arrangement in the form of a granulate, consisting of coated carbon fibers with a filament diameter of 10 microns (Tenax®) and a length of 12 mm, which was obtained by coating continuous carbon fibers in the Fluidized bed- process with the following curable epoxy composition and subsequent granulation:
  • Example 2 production of a pump slide valve
  • the fiber arrangement obtained in Example 1, sections a) and b) was subjected to a dispersing / embossing process in processed a pusher by analogously filling the coated fiber mass into a suitable pressing device as granules.
  • the granules were then heated to a temperature of 110 ° C at a pressure of 700 atm. and a mold temperature of 110 ° C and expanded into a pressure-free cavity and immediately afterwards at 160 ° C with a pressure of 100-300 kp / cm 2 pressed to pump slides and hardened at 160 ° C for 3 minutes.

Abstract

Faseranordnung, bestehend aus beschichteten Endlosfasern und/oder Langfasern, welche mit einer Beschichtung bestehend aus Kunststoff oder einem Gemisch von Kunststoffen beschichtet sind, worin (i) die Beschichtung aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet sind, und/oder aus einem duroplastisch härtbarem Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, besteht, und (ii) die Beschichtung in expandiertem Zustand vorliegt; Verfahren zur Herstellung dieser Faseranordnung; Verwendung der Faseranordnung für die Herstellung von Formteilen in Form von Verbundwerkstoffen.

Description

Faseranordnung, bestehend aus Fasern, welche mit einer Beschichtung bestehend aus expandiertem Kunststoff beschichtet sind
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Watte ähnliche Faseranordnung, bestehend aus Fasern, vorzugsweise bestehend aus Endlosfasern und/oder Langfasern, welche mit einer Beschichtung bestehend aus expandiertem Kunststoff oder einem Gemisch von expandierten Kunststoffen beschichtet sind, und diese Beschichtung aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet sind, oder aus einem duroplastisch härtbarem Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, besteht, sowie Verfahren zu deren Herstellung. Die erfin- dungsgemässe Faseranordnung kann insbesondere zu Form- und Bauteilen verarbeitet werden.
Mit Kunststoff beschichtete Faserstränge (Rovings) auf der Basis von Endlosfasern, beispielsweise auch in Form von
Endlosfasern oder Prepregs, sowie auch daraus hergestellte Granulate, sind an sich bekannt. Faserstränge bestehen vorzugsweise aus im wesentlichen parallel ausgerichteten beschichteten Endlosfasern; Langfasern bestehen analogerweise vorzugsweise aus im wesentlichen parallel ausgerichteten beschichteten und geschnittenen Langfasern. Dabei werden für deren Herstellung üblicherweise Faserstränge, welche aus Endlosfasern bestehen, mit einem Kunststoff, oder einem Gemisch von Kunststoffen, welche diverse Zusatzstoffe ent- halten können, beschichtet und in weiteren Verarbeitungsstufen, je nach Verwendungszweck, zu Fäden, zu Granulaten, zu Formteilen oder zu pultrudierten oder extrudierten Profilen verarbeitet. Im weiteren sind duroplastische Wirrfaser Polyester-Formmassen unter der Bezeichnung Bulk Molding Co pounds (BMC) bekannt. Es handelt sich dabei meist um langglasverstärkte teigförmige Formmassen auf Basis von ungesättigten Polyesterharzen (UP) . Solche Produkte werden im diskontinuierlichen Misch-Knetverfahren hergestellt. Die Verarbeitung erfolgt im Kompressions- und Spritzgiessverfahren. BMC Formmassen basieren immer auf ungesättigte Polyestern. Nachteil dieser Technik ist die aufwendige Handhabung, die geringe Lagerstabilität und die reduzierte Faserlänge im Fertigprodukt dieser Feuchtpolyester- Formmassen.
Bekannt sind auch Wirrfaserformassen auf Basis von Phenol- Epoxyd-, Melaminharzen sowie auf Basis von verschiedenen Thermoplasten. Diese Festharzprodukte weisen eine geringe Schüttdichte auf und sind für eine automatisierte Verarbeitung nicht geeignet.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die genannten
Nachteile behoben, indem die zu formende Masse (Formmasse) in rieselfähigem Zustand und mit einer hohen Schüttdichte vorliegt und verwendet werden kann, wobei alle Faserfila- mente dieselbe Schnittlänge aufweisen. , Die Faserlänge bleibt durch die einmalige Faserumlenkung beim
Kompressions- und/oder Expansionsprozess nahezu vollstän- dig erhalten. Die vorgewärmte und expandierte Formmasse wird im unmittelbar nachfolgenden Formgebungsprozess mit geringerem Fliesswiderstand eingebracht. Als Folge ergeben sich längere Fliesswege, geringere Faserausrichtung an der Werkzeugwand und geringerer Faserabbau durch reduzierte Scherbeanspruchung bei der Fliessfrontumlenkung. Durch den reduzierten Fliesswiderstand wird zudem auch der Forminnendruck erheblich reduziert, so dass geringere Formzuhaltekräfte erforderlich sind. Die derart erzielte Festigkeit im Formteil ist dadurch signifikant höher als bei der Verarbeitung bekannter Formmassen mit herkömmlich bekannten Verarbeitungstechniken.
Im vorliegenden Text werden Fasern mit einer durchschnittlichen Länge im Bereich von etwa 0.2-0.6 mm Länge als „Kurzfasern" oder „kurze Fasern" bezeichnet. Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 0.6 mm Länge, insbesondere Fasern mit einer durchschnittlichen Länge im Bereich von mehr als 0.6 mm Länge bis etwa 50 mm Länge, werden hier als „Langfasern" oder „lange Fasern" bezeichnet. Unter den Begriff „Langfasern" fallen im Rahmen der vorliegenden Erfindung und Erfindungsbeschreibung aber auch Fasern mit einer durchschnittlichen Länge von mehr als 50 mm Länge, welche sich gleich oder ähnlich verhalten wie Fasern mit einer durchschnittlichen Länge im Bereich von mehr als 0.6 mm Länge bis etwa 50 mm Länge. Als „Endlosfasern" gelten Fasern, welche so lang sind, dass diese z.B. auf eine Spule aufgerollt werden und bis zu 50 km lang sein können.
Es ist bekannt, Faserstränge im Schmelzbeschichtungsver- fahren zu beschichten, indem diese Faserstränge durch die Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs geführt werden. Anschliessend wird abkühlen gelassen. Die derart erhaltenen Fasern können dann weiter verarbeitet werden. Ähnlich verhält es sich in der Anwendung von Nassbeschich- tungsverfahren, d.h. eines flüssigen Imprägnierbades, in welchem der Kunststoff in einem Lösungsmittel gelöst ist, wobei anschliessend das Lösungsmittels entfernt wird. Im Trockenbeschichtungsverfahren, werden die zu beschichtenden Faserstränge vorzugsweise durch eine Wirbelschicht bewegt. Diese Wirbelschicht besteht in der Regel aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet sind, oder aus einem duroplastisch härtbaren Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, wobei dieses als Beschichtung auf die Fasern aufzieht. Es ist auch möglich, die einzelnen Komponenten der Beschichtung im Wirbelschichtverfahren, direkt auf die Faser in der gewünschten Zusammensetzung gleich ässig aufzubringen, wobei man gegebenenfalls die einzelnen in der Wirbelschicht sich befindenden Beschich- tungskomponenten zusätzlich in der Wirbelschicht mischt, so dass eine allfällige Entmischung der einzelnen Komponenten verhindert wird. Anschliessend werden die beschichteten Fasern vorzugsweise in einem Durchlaufofen, beispielsweise mittels IR-Strahlung, zumindest teilweise aufgeschmolzen und dann wieder abgekühlt.
In allen Fällen der genannten Beschichtungsverfahren ergeben sich Fasern, welche bei der Verarbeitung zu Fäden und Formteilen, insbesondere solche mit hohem Faseranteil, eine hohe Streuung der Festigkeitswerte und zahlreiche örtliche Schwachstellen am gebildeten Faden und am Formteil ergeben. Dafür verantwortlich sind unter anderem insbesondere örtliche Unterschiede in der Belegung der Faser mit Kunststoff.
Es ist bekannt, Verbundwerkstoffe aus rieselfähigen beschichteten Schnittfasern von etwa 6 mm Länge im Compoun- dierverfahren herzustellen. Duroplastische Formmassen ergeben dabei fertige Formmassen, welche einen Harzgehalt von etwa 30-35 Gew.-% und einen entsprechend hohen Faser- gehalt aufweisen, während bei Kurzfasercompounds der Fasergehalt nur "bei etwa 20-30 Gew.-?. liegt. Dabei beträgt die durchschnittliche Faserlänge nach der Scherbeanspruchung beim Cömpoundieren noch etwa 0.4-0.8 mm. Mit derart hergestellten Formmassen werden Schlagzähigkeitswerte von 8-12kj/m2 Kerbschlagzähigkeitswerte von 3- 4kj/m2 erreicht. Der Biege E-Modul liegt bei 10-16 N/mm2* 10"6.
In mit Langfasern verstärkten Verbundwerkstoffen wird die mechanische Festigkeit, wie z.B. die Schlag- und Kerbschlagfestigkeit erheblich gesteigert. In der Praxis können die gewünschten hohen Festigkeitswerte im Formteil jedoch oft nicht erreicht werden. Eine Ursache ist die schlechte Faserverteilung, welche bei abnehmender Wand- stärke zunehmend zu Schwachstellen und hoher Streubreite der Festigkeit im Formteil führt. Eine weitere Ursache ist die Verkürzung der Fasern durch hohe Scherkräfte während der Schneckenplastifizierung und durch die Umlenkung des Massestroms in der Düse und in den Angusskanälen. Lang- faserverstärkte Duroplaste werden deshalb vorwiegend im Kompressionsverfahren verarbeitet während langfaserverstärkte Thermoplaste spritzgegossen werden. Das Spritzprägeverfahren bringt für bestimmte Formteilgeometrien bessere Eigenschaften, aber nicht die in der Co posites Technik erforderliche Festigkeit der so produzierten
Formteile. Der Formteilverzug dieser Formteile ist meist erheblich.
Es wurde nun gefunden, dass diese Nachteile deutlich vermindert sind, wenn man die Faserbeschichtung, d.h. den Kunststoff, mit welchem die faserverstärkten Endlosfasern oder die daraus hergestellten Granulate, belegt sind, bei erhöhter Temperatur, wie im weiteren beschrieben, expandiert, und erst anschliessend der weiteren Verarbeitung zu Formteilen zuführt. Enthält die Faseranordnung Langfasern, so liegen diese als Wirr-Faseranordnung vor.
Bevorzugte Beschichtungen bzw. Beschichtungsmaterialien sind thermoplastische Polymerpulver, in welchem gegebenen- falls Zusatzstoffe eingearbeitet sind, oder duroplastisch härtbare Kunststoffpulver oder duroplastisch härtbare Kunststoffpulver-Ausgangsgemische. Bevorzugt sind duroplastisch härtbare Kunststoffpulver oder duroplastisch härtbare Kunststoffpulver-Ausgangsgemische.
Die nach der Expansion der Faserbeschichtung erhaltene Faseranordnung liegt dann ■ in einer Watte ähnlichen Form vor. Expandiert man erfindungsgemäss ein Granulat, so er- hält man ein Watte ähnliches Produkt, in welchem die Langfasern räumlich gleichmässig, d.h. als Wirrfaser, verteilt sind. Dies ergibt in der weiteren Verarbeitung Produkte, welche in allen Richtungen ausgeglichenere Eigenschaften und höhere mechanische Festigkeit aufweisen.
Die Erfindung ist in den Patentansprüchen definiert. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Watte ähnliche Faseranordnung, bestehend aus beschichteten Endlosfasern und/oder Langfasern, welche mit einer Beschichtung be- stehend aus Kunststoff oder einem Gemisch von Kunststoffen beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die Beschichtung aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet sind, und/oder aus einem duroplastisch härtbarem Kunststoff- pulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, besteht, und (ii) die Beschichtung in expandiertem Zustand vorliegt.
Bevorzugt sind mit Kunststoff beschichtete Endlosfasern und/oder Langfasern in Form von Kohle-, Glas- oder Keramik- fasern, sowie in Form von ausgewählten Kunststofffasern und pflanzlichen Fasern, wie dies später im vorliegenden Text beschrieben ist. Die Erfindung betrifft im weiteren ein Herstellungsverfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Faseranordnung. Dabei können die mit Kunststoff beschichteten Endlosfasern als solche, d.h. in Form von mit Kunststoff beschichteten Endlosfasern, oder als Prepregs, als Ausgangsmaterial für die Expansion der Faserbeschichtung eingesetzt werden. Wird die Beschichtung von Langfasern expandiert, so liegen diese als Ausgangsmaterial in der Regel als Granulat vor, welches aus beschichteten Endlosfasern gewonnen wurde. Solche be- schichteten Endlosfasern, und solche Granulate bestehend aus beschichteten Langfasern, sind an sich bekannt . Die Granulate, bzw. die darin enthaltenen Langfasern, haben erfindungsgemäss vorzugsweise eine Länge im Bereich von 2mm-25mm, vorzugsweise im Bereich von 5mm-15mm und vor- zugsweise im Bereich von 7mm-14mm.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemässen Faseranordnung in weiteren Verarbeitungsstufen, je nach Verwendungszweck, insbesondere zur Herstellung von Formteilen oder von pultrudierten oder extrudierten Profilen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die derart hergestellten Formteile und pultrudierten oder extrudierten Profile.
Die genannten beschichteten einzelnen Endlosfasern, bzw. die einzelnen Faserstränge im Verbund, können im Schmelz- beschichtungsverfahren, im Nassbeschichtungsverfahren und/- oder im Trockenbeschichtungsverfahren beschichtet worden sein..Als Faserbeschichtung bevorzugt sind duroplastisch härtbare Kunststoffpulver oder duroplastisch härtbare Kunststoffpulver-Ausgangsgemische, welche auf die als Ausgangsmaterial verwendete Fasern im Trockenbeschichtungsverfahren aufgebracht wurden. Wurden die zu behandelnden Fasern im Trockenbeschichtungs- verfahren im Wirbelbett beschichtet, so liegt die Korn- grössenverteilung der FaserbeSchichtung, bzw. der Beschich- tungskomponenten in der Trockenbeschichtung, vorzugsweise im Bereich von 30um-300um, vorzugsweise im Bereich von 50μm-250μm. Die durchschnittliche Korngrösse liegt zur Hauptsache vorzugsweise bei etwa 50um-150um.
Für die Expansion der Faserbeschichtung, das heisst der Expansion der Beschichtung der Endlosfasern oder der Beschichtung der Langfasern bzw. der Granulate, geht man vorzugsweise so vor, dass man die beschichteten Endlosfasern oder das Granulat in einem geschlossenen Volumen unter Druck auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt, so dass bei dieser Temperatur die in der Beschichtung vorhandenen flüchtigen Anteile bei Entfernung des erhöhten Druckes und vorzugsweise auch bei einer Vergrösserung des zur Verfügung stehenden Volumens, vorzugsweise bei schneller Reduktion des erhöhten Druckes auf Normaldruck, mit hoher Geschwindigkeit aus der Beschichtung entweichen und diese somit expandieren. Dabei erhitzt man in einem geschlossenem, möglichst kleinem, Volumen unter Druck, vorzugsweise auf mindestens die Erweichungstemperatur der Faserbeschichtung, d.h. in der Regel auf mindestens etwa 100°C, vorzugsweise auf eine Temperatur bei der die Faserbeschichtung flüssig bzw. in niederviskosem Zustand ist. Dies liegt je nach dem verwendeten Beschichtungsmaterials bei etwa 140°C-390°C, vorzugsweise bei etwa 150°C-250°C und vorzugsweise bei etwa 180°C-220°C. Vorzugsweise er- hitzt man etwa 20°C-80°C über den Erweichungspunkt der
Faserbeschichtung. Für dieses Verfahren verwendet man vorzugsweise eine Druckapparatur, wobei die Erwärmung der Fasern z.B. über die Erwärmung der Gefässwand, mittels Umluft oder IR-Strahlung erreicht wird. Der Verfahrensdruck bei erhöhter Temperatur innerhalb des geschlossenen Volumens ist durch den ausgeübten Druck der flüchtigen Stoffe bei dieser Temperatur und die Grosse des geschlossenen Volumens bestimmt und liegt in der Regel bei 400 at - 2000 atm, vorzugsweise bei 500 atm - 800 atm.
In diesem Sinne betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Watte ähnlichen Faseranordnung, bestehend aus Endlosfasern und/oder Langfasern, welche mit einer expandierten Beschichtung, bestehend aus Kunststoff oder einem Gemisch von Kunststoffen, versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass man beschichtete Endlosfasern, und/oder Langfasern in Form von Granulaten, welche mit einer Faserbeschichtung, bestehend aus nicht-expandiertem Kunststoff oder einem Gemisch von nicht-expandierten Kunststoffen, vorzugsweise aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet sind, und/oder aus einem duro- plastisch härtbarem Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, versehen sind, in einem geschlossenen Volumen unter Druck auf eine genügend .hohe Temperatur erhitzt, anschliessend den erhöhten Druck auf Normaldruck reduziert, so dass die in der Beschichtung vorhande- nen flüchtigen Anteile bei Entfernung des erhöhten Druckes mit hoher Geschwindigkeit aus der Beschichtung entweichen und diese derart expandieren. Vorzugsweise reduziert man den erhöhten Druck auf Normaldruck durch Öffnung des geschlossenen Volumens, so dass dadurch gleichzeitig ein vergrössertes Volumen für das Entweichen der flüchtigen Anteile zur Verfügung steht.
Besteht die Faserbeschichtung aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe ein- gearbeitet sind, so kann diese Beschichtung in der Regel bei den angegebenen Bedingungen ohne Zusatz von weiteren Hilfsstoffen expandiert werden. Gegebenenfalls kann als Beschichtungsmaterial ein thermoplastisches Polymerpulver verwendet werden, in welches zusätzlich eine bei der angegebenen Temperatur flüchtige Komponente eingearbeitet (compoundiert) wurde, was bei Thermoplasten mit hoher Schmelzviskosität nötig sein kann. Eine solche Komponente kann beispielsweise ein Lösungsmittel sein, wie ein gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoff, eine Esterverbindung, wie z.B. ein Acetat der Formel (C2-4)Alkyl-0 (0) CCH3 oder ein Keton mit einem Siedepunkt, vorzugsweise im Bereich von 60°C-180°C. Dabei entsteht im geschlossenen Volumen in der Praxis ein Druck, der vorwie- gend durch den ausgeübte Partialdruck der flüchtigen Bestandteile und die Grosse des geschlossenen Volumens gegeben ist.
Besteht die Faserbeschichtung aus einem kommerziell er- hältlichen duroplastisch härtbarem Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, welche nicht oder nur wenig gehärtet sind, so enthalten diese in der Regel immer Anteile, welche bei den angegebenen erhöhten Temperaturen flüchtig sind. Diese Anteile entweichen bei der angegebenen erhöhten Temperatur sobald der erhöhte Druck entfernt und vorzugsweise auch das verfügbare Volumen vergrössert wurde. Enthält das Polymer keine entsprechenden Anteile, so können dieselben Verbindungen als flüchtige Bestandteile dem duroplastisch härtbarem Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver Ausgangsgemisch zugesetzt werden, welche vorgehend für die thermoplastischen Beschichtungsmaterialien genannt sind.
Als Fasern, aμs welchen die Faserstränge gebildet sind, können erfindungsgemäss alle an sich bekannten Fasern ver- wendet werden, welche für die Herstellung von Werkstoffen bekannt sind. Solche Fasern haben eine Schmelzpunkt, der vorzugsweise mindestens 100°C höher ist als der Schmelzpunkt bzw. Erweichungspunkt des Beschichtungspoly ers . Bei- spiele sind synthetische an sich bekannte anorganische Fasern, insbesondere Glas- oder Keramikfasern, C-Fasern, Kunststofffasern, insbesondere Aramidfasern (aromatisches Polyamid), Zylonfasern (PBO) 28 dtex (0.028 gr/m) , oder Naturfasern, insbesondere Cellulosefasern. Die Filament- stärke beträgt vorzugsweise etwa 5μm bis 20μ und etwa 100 tex-4800 tex (0.1 g/m-4.8 g/m) , vorzugsweise 600 tex-2400 tex, wie solche üblicherweise verwendet werden.
Als Kunststoff für die Beschichtung kann man erfindungs- gemäss an sich bekannte thermoplastische Kunststoffe (als compound oder als Premix) und/oder an sich bekannte duroplastische Formmassen (vorzugsweise als Premix) verwenden. Thermoplastische Formmassen bzw. Kunststoffe und deren Zusatzstoffe sind aus der Literatur in grosser Zahl be- kannt. Synthetische thermoplastische Polymere sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe der Polyolefine, vorzugsweise Polyäthylen, insbesondere HDPE, oder Polypropylene (PP) ; Polykarbonate; Polyoxymethylene (POM) ; Polyethylen- terephthalate (PET) ; Polybutylenterephthalate (PBT) ; Poly- ethylensulfide (PES) ; Polyphenylenoxide (PPO) ; Polypheny- lensulfide (PPS) ; PSO; PVDS; thermoplastischee Polykonden- , säte, vorzugsweise Polyester und Polyamide, wie Polyamid 66, Polyamid 12, u.a.; Polyvinylacetate; Polystyrole; Poly- acrylsäureester; Polymethacrylsäureester; Alkylen/Acryl- säure-Copolymere oder Alkylen/Methacrylsäure-Copolymere, vorzugsweise Äthylen/Acrylsäure-Copolymere; PEEK (Poly- aryletheretherketon) und PEK (Polarylyetherketon) , Alky- len/Maleinanhydrid-Copolymere; oder Alkylen/Vinylalkohol- Copolymere. Bevorzugt sind HDPE, PP, Polykarbonate, POM, PET, PBT, PES, PPO, PPS, PSO, PVDS, und thermoplastische Polyamide. Bevorzugt sind synthetische Polymere mit einem Erweichungspunkt von 100°C oder höher, vorzugsweise im Bereich von 140°C bis 390°C und besonders im Bereich von 150°C bis 350°C.
Duroplastische Kunststoffe in Form von Polykondensaten sind beispielsweise härtbare Phenol/Formaldehyd Kunststoffe (PF- Giessharze) , härtbare Bisphenolharze, härtbare Harnstoff/- Formaldehyd-Kunststoffe (UF-Formmassen) , Polyimide (PI), BMI-Formmassen und Polybenzimidazole (PBI) . Duroplastische Kunststoffe in Form von Polyaddukten sind beispielsweise Epoxidharze (EP) , Formmassen aus ungesättigten Polyesterharzen (UP-Formmassen) , DAP-Harze (Polydiallylphthalat) , MF-Formmassen, z.B. härtbare Mela in/Phenol/Formaldehyd- Formmassen, oder vernetzte Polyurethane (PUR) .
Dabei werden die duroplastisch härtbaren Kunststoffpulver oder das Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch als nicht-ver- netzte, bzw. nicht-gehärtete, oder sehr wenig gehärtete
Pulver auf die Fasern aufgebracht und anschliessend expandiert. Auch nach der Expansion liegt diese expandierte Faserbeschichtung als im wesentlichen nicht-gehärtete Beschichtung vor, welche weiter verarbeitet und gehärtet werden kann.
Als Zusätze für thermoplastische Formmassen bzw. Kunststoffe sowie für duroplastische Kunststoffe in Form von Polykondensaten oder Polyaddukten sind beispielsweise, neben dem Harz/Härter/Beschleuniger-System für Duroplaste, Trennmittel, Gleitmittel, Füllstoffe, Pigmente, Haftvermittler, Stabilisatoren und Inhibitoren. Solche Verbindungen sind an sich bekannt, ebenso wie die für die Beschich- tungen gemäss der vorliegenden Erfindung zu verwendenden bevorzugten Zusammensetzungen.
■ Die genannten Kunststoffe können im Schmelzverfahren bzw. direkt aus der Schmelze oder im Nassverfahren, das heisst in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, oder im Trocken- beschichtungsverfahren wie eingangs beschrieben, als Be- • Schichtung mit einer an sich bekannten geeigneten Apparatur auf die Faserstränge aufgetragen werden. Solche Vorrich- tungen und die Verfahrensbedingungen sind dem Fachmann bekannt.
Figur 1 und la illustrieren je ein Schema einer Vorrichtung für die Herstellung der erfindungsgemässen Faseranordnung von duroplasbeschichteten Langfasern. Figur 2 illustriert ein Werkzeug für die integrierte Expansion-Kompression von beschichteten Langfasern zur Herstellung eines Zahnrads. Figur 2a illustriert einen Pumpenschieber (nicht integriert) als Versuchswerkzeug. Figur 3 zeigt ein Zahnrad, das aus der erfindungsgemässen Faseranordnung hergestellt werden kann. Figur 4 zeigt die Schlagzähigkeit und Biegefestigkeit von KINEL SK 4504 S12 mit 56 % 12 mm C- Fasern und KINEL SK 4502 S8 mit 56 % 8 mm C-Fasern im Vergleich (Granulat und expandiertes Granulat)
Wie bereits dargelegt, kann die erfindungsgemässe Faseranordnung Endlosfasern und/oder Langfasern enthalten. Enthält die Faseranordnung Langfasern, so liegen diese als Wirr-Faseranordnung vor. Die erfindungsgemässe Faseranordnung kann in unterschiedlicher Weise weiter verarbeitet werden, insbesondere für die Herstellung von Formteilen in Form von Verbundwerkstoffen, welche sehr stabil, ein sehr geringes spezifisches Gewicht, d.i. eine geringe Dichte, aufweisen, und leicht verarbeitbar sind. Erfindungsgemäss werden während dem Kompressions- und/oder Expansionsvorgang Formen verwendet, aus welchen die anwesenden oder sich entwickelnden Gase im Verfahren entweichen können, so dass Formteile mit höherer Dichte hergestellt werden. Dieseleffekte, d.h. Gasverbren- nungen bzw. Verbrennungsvorgänge eingeschlossener flüchtiger Anteile, innerhalb der Formmasse während der Verdichtung der Formmasse im Werkzeug, treten somit nicht auf.
Die dabei erzielten physikalischen Eigenschaften hängen dabei zu einem erheblichen Teil vom Verdichtungsgrad ab, zu welchem die erfindungsgemässe Faseranordnung im daraus hergestellten Formteil verschmolzen oder ausgehärtet wurde. Wird die Faseranordnung unter hohem Druck und bei erhöhter Temperatur sehr stark verdichtet, verschmolzen und/oder ausgehärtet, so dass das erhaltene Produkt praktisch keine Lufteinschlüsse mehr enthält, so erhält man ein Formteil mit höchster Dichte und Festigkeit. Werden die Fasern in der erfindungsgemässen Faseranordnung nur leicht zusammen gepresst, gesintert und/oder ausgehärtet, so erhält man ein luftdurchlässiges Formteil mit geringerem spezifischen Gewicht und mit anderen physikalischen Eigenschaften. Innerhalb dieses Bereichs lassen sich die Eigenschaften eines aus der erfindungsgemässen Faseranordnung hergestellten Formteils erheblich variieren, was für den Fachmann kein Problem darstellt.
Dabei ist das Volumenverhältnis von ursprünglichem nicht- expandiertem Beschichtungsvolumen zum reinen Faservolumen im Bereich von 9:1 bis 1:4, vorzugsweise im Bereich von 6:1 bis 2:3 und vorzugsweise im Bereich von 1:4 bis 1:6. So können Formkörper erhalten werden, welche einen Faseranteil im oberen Bereich von 60 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%, vorzugsweise bis zu etwa 75 Gew.-% an Fasermaterial, bezogen auf das Gesamtgewicht von Fasermaterial plus Kunststoff, enthalten.
Enthält die erfindungsgemässe Faseranordnung nur oder vor- wiegend beschichtete Endlosfasern oder vergleichsweise lange Fasern im Bereich von mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 10 mm, bis in den als Endlosfaser definierten Bereich, so kann man daraus vorzugsweise Form- und Bauteile als Verbundwerkstoff, vorzugsweise flächenförmige Formkör- per, für die Industrie allgemein, wie beispielsweise für die Bau-, Auto- Flugzeug- und/oder Schiffbauindustrie, herstellen. Beispiele hierfür sind: Kunstoffzahnräder, Schneckenräder, Getriebegehäuse, Gleitlager, oder Stahlersatzteile.
Enthält die erfindungsgemässe Faseranordnung nur oder vorwiegend lange Fasern, das heisst Fasern im Bereich vom 5-20 mm Länge, vorzugsweise im Bereich von 8-16 mm und insbesondere im Bereich von 10-14 mm Länge, so entsteht eine erfindungsgemässe Zusammensetzung, in welcher die Langfasern als sogenannte Wirrfasern vorhanden sind, das heisst in allen Richtung gleichmässig, isotrop, verteilt sind. Diese isotrope Struktur des Fasermaterials ermöglicht die Verarbeitung zu Formteilen mit ausgezeichneten Eigen- schaften, welche den Eigenschaften von an sich bekannten gleichen Formkörpern deutlich überlegen sind. Bevorzugte Beispiele hierfür sind KunstoffZahnräder, Schneckenräder, Getriebegehäuse, Gleitlager, Gewindespindeln, Stahlersatzteile, Implantate, Luft durchlässige Schleifkörper für die Bearbeitung von Holz, Kunststoff und Metallen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus den erfindungsgemässen Faseranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass man (i) die benötigte Menge an erfindungsgemässer Faseranordnung (versehen mit einer expandierten Faserbeschichtung) in ein heizbares Presswerkzeug einbringt, (ii) die Faserbeschichtung unter dem erforderlichen Druck und der erforderlichen Temperatur sintert, und (iii) falls die Faserbeschichtung aus einem duroplastisch härtbaren Ausgangsmaterial besteht, dieses härtet, und (iv) den gepressten Formkörper dem Presswerkzeug entnimmt.
Die derart hergestellten Formkörper auf der Basis eines Verbundwerkstoffs zeigen im Vergleich zu in konventioneller Weise gepressten oder spritzgegossen Formteilen die folgenden Vorteile: Die Biegefestigkeit sowie die Schlag- und Kerbschlagfestigkeiten werden signifikant erhöht; die Faserverteilung und Faserausrichtung im Formteil ist verbessert; die Streubreite der Festigkeitswerte wird stark eingeengt; der Formteilverzug ist geringer; die Knister- grenze im Biegeversuch ist sehr hoch; Schwachstellen bei geringen Wandstärken, wie sie bei konventionellen lang- faserverstärkten beobachtet werden, treten weniger auf; die Streuung der Festigkeit und der Gewichtsverlust nach Warmlagerung sind geringer. Durch die gute Faserverteilung ist die Spannungskonzentration im Formteil geringer. Der Fliesswiderstand wird reduziert, sodass längere Fliesswege erreichbar sind. Die geometrischen Schwindungs- differenzen sind sehr gering. Der Werkzeugverschleiss ist deutlich geringer als mit herkömmlichen Verarbeitungsverfahren.
Die erfindungsgemässe Faseranordnung beispielsweise ist sehr geeignet für die Herstellung von Zahnrädern, ausgehend von einer erfindungsgemässen Faseranordnung in Wirrfaserform im Nabenbereich enthaltend Langfasern mit einer Länge im Bereich von 2mm-25mm, vorzugsweise im Bereich von 5mm-15mm und vorzugsweise im Bereich von 7mm-14mm.
KunstoffZahnräder werden im wesentlichen in gering und mittel belasteten Getrieben eingesetzt. Wesentliche Vorteile von KunstoffZahnrädern verglichen mit Stahlzahnrädern sind: wirtschaftliche Fertigung im Spritzgiessverfah- ren, die Möglichkeit des ungeschmierten Betriebes, die Dämpfung von Schwingungen, geräuscharmer Lauf, Gewichts- einsparung und gute Korrosionsbeständigkeit.
Die Nachteile von KunstoffZahnrädern aus bekannten Thermoplasten verglichen mit Stahlzahnrädern sind: geringe Tragfähigkeit, Ausfall durch Zahnbruch, begrenzter Temperatur- einsatzbereich, nicht vorhandene Dauerfestigkeit, begrenzte Dimensionsstabilität, begrenzte Masshaltigkeit, hohe Wärmeausdehnung und Rundlauffehler. Höhere Anwendungstemperaturen in vielen Zahnradanwendungen der AutomobilIndustrie erfordern zusätzlich eine höhere Temperatur- und Verschleissfestigkeit .
KunststoffZahnräder, hergestellt aus einer erfindungsgemässen, mit Epoxidharz beschichteten, Faseranordnung, mit etwa 12 mm langen, als Wirrfaser vorliegende Kohlefasern, haben überraschend. gute mechanische und physikalische Eigenschaften. In diesem Sinne betrifft die vorliegende Erfindung auch solche Zahnräder.
Im Vergleich zu bekannten Zahnrädern, hergestellt aus un- verstärkten oder verstärkten Thermoplasten, werden mit den erfindungsgemässen Zahnrädern eine enge Herstelltoleranz im Bereich der Zähne und eine hohe Dimensionsstabilität des Zahnrades erreicht. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient für die erfindungsgemässe Zahnräder beträgt am Umfang des Zahnrads lediglich 6xl0"6. Die Schlag- und Kerbschlagfestigkeit im Zahn wird im Vergleich zu bekannten Zahnrädern aus Verbundwerkstoffen ' um ein Vielfaches erhöht .
Es ist möglich die Fasern im Bereich der Zahnflanken so anzuordnen, dass eine hohe Zahnfestigkeit erreicht wird und gleichzeitig eine Wirrfaseranordnung im Bereich der Nabe besteht, und damit Spannungskonzentrationen und Spannungsrisse vermieden werden.
Zahnräder auf der Basis von Verbundwerkstoffen, hergestellt gemäss der vorliegenden Erfindung haben die folgenden besonderen Eigenschaften im Vergleich zu entspre- chenden spritzgegossenen Zahnrädern: hohe Tragfähigkeit; kein Ausfall durch Zahnbruch; sehr breiter Temperatureinsatzbereich (-60°C bis 200°C); hohe Kältefestigkeit '(bis -60°C); hohe und konstante Zahnsteifigkeit; hohe Druckfestigkeit; hohe Dauerfestigkeit; hohe Dimensionsstabili- tat unter ungünstigen klimatischen Bedingungen; sehr gute Masshaltigkeit; grosse Wandstärkenunterschiede realisierbar; sehr geringe Wärmeausdehnung (< Stahl) ; geringe geometrische Fehler und Exzentritäten; sehr hohe Stauchfestigkeit sowie geringes Kriechen unter Last.
Die folgenden Beispiele erläutert die Erfindung.
Beispiel 1 (Expandieren eines Granulats) a) Als Ausgangsprodukt diente eine Faseranordnung in Form eines Granulats, bestehend aus beschichteten Kohlenstofffasern mit einem Filament-Durchmesser von 10 micron (Tenax®) und einer Länge von 12 mm, welches durch Beschichten von Kohlenstoff-Endlosfasern im Wirbelschicht- verfahren mit der folgenden härtbaren Epoxidzusammen- setzung und anschliessender Granulation hergestellt wurde:
Faserbeschichtung (Zusammensetzung) :
Figure imgf000021_0001
b) 562 Gramm Granulat wurde in einer heizbaren Presse gemäss Figur 2 lose vorgewärmt. Der Presskolben wurde geschlossen (Schliesskraft : 15 Tonnen) und der Inhalt auf eine Temperatur von 100°C gewärmt. Nachdem Erreichen die- ser Temperatur wurde der obere Presskolben geöffnet und das vorgewärmte Granulat in den Kolbenraum eingefüllt. Der Unterkolben wurde mit einer Kraft von 3 Tonnen beaufschlagt. Gleichzeitig wurde der Oberkolben mit 10 Tonnen Kraft nach unten gedrückt. Der Massestrom expandiert in den geöffneten Formteilhohlraum zu einer watteähnlichen Faserandordnung. c) Anschliessend erfolgte die Verdichtung des Fasergewirrs durch Eintauchen des Oberkolbens in ein Zahnrad- Formnest. Man erhielt ein Zahnrad mit sehr hoher Bruch- festigke.it an den Zähnen, hoher Biegewechselfestigkeit an den Zähnen und geringe Spannungskonzentration in der Zahnradnabe.
Beispiel 2 (Herstellung eines Pumpenschiebers) Die in Beispiel 1, Abschnitte a) und b) , erhaltene Faseranordnung wurde in einem Dispergier-Prägeverfahren in einen Pumpenschieber verarbeitet, indem analogerweise die beschichtete Fasermasse als Granulat in eine geeignete Pressvorrichtung eingefüllt wurde. Das Granulat wurde dann auf eine Temperatur von 110°C erhitzt, bei einem Druck von 700 atm. und einer Werkzeugtemperatur von 110°C komprimiert und in einen druckfreien Hohlraum expandiert und unmittelbar danach bei 160°C mit einem Druck von 100-300 kp/cm2 zu Pumpenschiebern verpresst und bei 160°C während 3 Minuten gehärtet.
Durch die geringe Scherbeanspruchung des vorgewärmten Granulats bleibt die ursprüngliche Faserlänge im Granulat weitgehend erhalten. Es wurden die folgenden Eigenschaften gemessen: Biegefestigkeit: 350 N/mm2, Izod Kerbschlag- festigkeit: 60 Kj/m2.
Beispiel 3 (Herstellung eines Zahnrads)
Langfasergranulats mit 12 mm langen Kohlefasern wurde mit graphimetrischer Dosierung mit einer Beschichtung gemäss Beispiel 1 beschichtet. 562 Gramm dieses Epoxyd-Langfaser- granulats mit 12 mm langen Kohlefasern wurden während fünf Minuten auf 110°C vorgewärmt, dann in einer Presse verdichtet und anschliessend, wie in Beispiel 1 beschrieben, expandieren gelassen. Das Watte ähnliche Produkt mit Wirr- faserstruktur wurde in einen Zahnrad-Formraums eingefüllt und danach bei 160°C mit einem Druck von 300 kp/cm2 zu Zahnrädern verdichtet. Anschliessend wurde bei 160°C während 3 Minuten gehärtet. Es wurde ein Zahnrad erhalten mit 75 Zähnen, Modul 2, Breite 26 mm D= 156 mm, Gewicht 560gr.

Claims

Patentansprüche
1. Faseranordnung, bestehend aus beschichteten Endlosfasern und/oder Langfasern, welche mit einer Beschichtung bestehend aus Kunststoff oder einem Gemisch von Kunststoffen beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die Beschichtung aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingearbeitet sind, und/oder aus einem duroplastisch härtbarem Kunst- stoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, besteht, und (ii) die Beschichtung in expandiertem Zustand vorliegt.
2. Faseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass diese aus beschichteten Langfasern mit einer
Länge im Bereich von 2mm-25mm, vorzugsweise im Bereich von 5-20 mm Länge, vorzugsweise im Bereich von 8-16 mm und vorzugsweise im Bereich von 10-14 mm Länge, besteht.
3. Faseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Wirr-Faseranordnung vorliegt.
4. Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfasern und die einzelnen Faserstränge im Verbund, im Schmelzbeschichtungsverfahren, im Nassbeschichtungsverfahren und/oder im Trockenbe- schichtungsverfahren beschichtet wurden.
5. Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbeschichtung aus duroplastisch härtbarem Kunststoffpulver oder duroplastisch härtbarem Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch besteht.
6. Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern, aus welchen die Faserstränge gebildet sind, synthetische anorganische Fasern, vorzugsweise Glas- oder Keramikfasern, vorzugsweise Glas- fasern; C-Fasern; Kunststofffasern, vorzugsweise Aramid- fasern, Zylonfasern (PBO) ; Naturfasern, vorzugsweise Cellulosefasern, darstellen, mit einer Filamentstärke von vorzugsweise etwa 5um bis 20um und etwa 100 tex-4800 tex (0.1 g/m-4.8 g/m) , vorzugsweise 600 tex-2400 tex.
7. Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff für die Beschichtung thermoplastische Kunststoffe als compound oder als Premix und/oder duroplastische Formmassen als Premix, verwendet wurden.
8. Verfahren zur Herstellung der Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass man beschichtete Endlosfasern, und/oder beschichtete Langfa- sern in Form von Granulaten, welche mit einer Faserbeschichtung, bestehend aus nicht-expandiertem Kunststoff oder einem Gemisch von nicht-expandierten Kunststoffen, vorzugsweise bestehend aus einem thermoplastischen Polymerpulver, in welchem gegebenenfalls Zusatzstoffe eingear- beitet sind, und/oder aus einem duroplastisch härtbarem Kunststoffpulver oder Kunststoffpulver-Ausgangsgemisch, versehen sind, in einem geschlossenen Volumen unter Druck auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt, anschliessend den erhöhten Druck auf Normaldruck reduziert, so dass die in der Beschichtung vorhandenen flüchtigen Anteile bei
Entfernung des erhöhten Druckes mit hoher Geschwindigkeit aus der Beschichtung entweichen und diese derart expandieren.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man auf mindestens die Erweichungstemperatur der Faserbeschichtung, und vorzugsweise auf eine Temperatur bei der die Faserbeschichtung flüssig bzw. in niedervis- kosem Zustand ist, erhitzt, vorzugsweise auf etwa 20°C- 80°C über den Erweichungspunkt der Faserbeschichtung.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensdruck bei erhöhter Temperatur innerhalb des geschlossenen Volumens bei 400 atm - 2000 atm, vorzugsweise bei 500 atm - 800 atm, liegt.
11. Verwendung der Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-7 für die Herstellung von Formteilen in Form von Verbund- Werkstoffen, vorzugsweise für die Bau-, Auto- Flugzeug- und/oder Schiffbauindustrie, oder von pultrudierten oder extrudierten Profilen.
12. Verwendung nach Anspruch 11 für die Herstellung von Kunstoffzahnräder, Schneckenräder, Getriebegehäuse,
Gleitlager, Stahlersatzteile, Gewindespindeln, Implantate, Luft durchlässige Schleifkörper für die Bearbeitung von Holz, Kunststoff und Metallen.
13. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man (i) die benötigte Menge an erfindungsgemässer Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-7 in einem heizbaren Presswerkzeug einbringt, (ii) die Faserbeschichtung unter dem erforder- liehen Druck und der erforderlichen Temperatur sintert, und (iii) falls die Faserbeschichtung aus einem duroplastisch härtbaren Ausgangsmaterial besteht, dieses härtet, und (iv) den gepressten Formkörper dem Presswerkzeug entnimmt .
14. Die nach Anspruch 13 hergestellten Formkörper, pultrudierten oder extrudierten Profile.
15. KunststoffZahnräder, hergestellt nach Anspruch 13, aus einer mit Epoxidharz beschichteten Faseranordnung nach einem der Ansprüche 1-7, mit etwa 12 mm langen und als Wirrfaser vorliegenden beschichteten Kohlefasern.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die expandierte Formmasse weitgehend frei ist von flüchtigen Anteilen bzw. zur Herstellung von Composites mit sehr geringem Luftanteil und hoher Festigkeit.
PCT/CH2005/000208 2004-04-14 2005-04-13 Faseranordnung, bestehend aus fasern, welche mit einer beschichtung bestehend aus expandiertem kunststoff beschichtet sind WO2005099985A1 (de)

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