DE112008000340B4

DE112008000340B4 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus luftporenhaltigem, faserverstärktem Polypropylen

Info

Publication number: DE112008000340B4
Application number: DE112008000340.8T
Authority: DE
Inventors: Eberhard Pfeiffer; Harri Dittmar; Karl-Ludwig Brentrup
Original assignee: Quadrant Plastic Composites AG
Current assignee: Quadrant Plastic Composites AG
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: US20100032870A1; WO2008101360A1; US8043542B2; DE112008000340A5

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus faserverstärktem Polypropylen, wobei man einen 1000 bis 2000 mm langen und 300 bis 1000 mm breiten Zuschnitt A aus einem flächigen Halbzeug aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Gehalt von 35 bis 80 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an gleichmäßig verteilten Luftporen von 20 bis 80 Vol.% auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt, in eine zweiteilige Form einlegt, verpresst und dabei verformt, dadurch gekennzeichnet, dass man einen oder mehrere 20 bis 100 mm breite Streifen B aus Polypropylen mit einem Gehalt von 0 bis 60 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an Luftporen von weniger als 5 Vol.%, die auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt wurden, am Rand des Zuschnitts mit einer Überlappung, die im Mittel von 5 bis 50 mm beträgt, bei einem Druck von 100 bis 250 bar mitverpresst, wobei die Streifen B in den Randbereich der Form fließen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von leichten Formteilen aus faserverstärktem Polypropylen, wobei man in eine zweiteilige Form einen Zuschnitt A aus einem flächigen Halbzeug aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Gehalt von 35 bis 80 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an gleichmäßig verteilten Luftporen von 20 bis 80 Vol.% einlegt, heiß verpresst und dabei verformt.
Thermoplastisch verformbare Halbzeugplatten aus glasfaserverstärktem Polypropylen, so genannte GMT-Platten, werden seit längerer Zeit zur Herstellung von Formteilen, insbesondere für Kraftfahrzeugteile eingesetzt. Derartige, im allgemeinen 0,5 bis 3 mm dicke „Kunststoffbleche“ zeichnen sich durch hohe Zähigkeit und Festigkeit aus. Darüber hinaus ist GMT fließfähig, so dass es beim Heissverpressen des Halbzeugs zu Fertigteilen die Innenkonturen der Werkzeugform vollständig ausfüllt. GMT-Halbzeug wird in großtechnischem Maßstab hergestellt durch Zusammenführen von Endlos-Glasmatten und Polypropylen-Schmelzebahnen auf einer Doppelbandpresse. Diese Arbeitsweise erfordert einen hohen Energieaufwand, da die zähflüssige Schmelze bei Drücken weit oberhalb von 1 bar in die Matte eingepresst werden muss. Fasergehalte von mehr als 45 Gew.% sind in der Praxis nur schwierig zu erreichen.
Um diese Nachteile zu beheben, wurden neuerdings Halbzeugplatten entwickelt, die ebenfalls aus glasfaserverstärktem Polypropylen bestehen, aber Luftporen in gleichmäßiger Verteilung enthalten, so dass daraus hergestellte Fertigteile leichter und Geräusch absorbierender sind als Fertigteile aus GMT-Halbzeug. Darüber hinaus ist die Herstellung derartiger luftporenhaltiger Halbzeugplatten wesentlich weniger energieaufwendig. Sie werden in der Praxis nach zwei Verfahren hergestellt:
Bei einem Trockenverfahren, z.B. nach WO 2006/105682 A1 , werden Polypropylenfasern und Glasfasern vermischt, das erhaltene Mischvlies wird vernadelt, auf Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt und auf einer Doppelbandpresse bei Drücken unterhalb von 1 bar verpresst.
Bei einem Nassverfahren werden Schnittglasfaserbündel und Polypropylenpartikel in einer wässrigen Lösung eines Emulgiermittels dispergiert, die Dispersion wird abgepresst, getrocknet und heiß verpresst. Die dabei erhaltene Platte wird thermisch zu einem porösen Halbzeug expandiert.
Derartige luftporenhaltige Halbzeuge sind jedoch im allgemeinen nicht fließfähig, so dass zur Herstellung von Fertigteilen ein Formpress-Verfahren angewandt werden muss. Zur Herstellung von Bauteilen mit von der Rechteckform abweichenden Maßen durch Verpressen in zweiteiligen Formwerkzeugen müssen dabei aus den Halbzeugplatten zunächst entsprechende Zuschnitte herausgestanzt werden, oder man muss nach dem Verpressen nacharbeiten, was ebenfalls zu erheblichen Mengen an Stanzabfällen führen kann. Dabei wird ein zweiter, kostenträchtiger Arbeitsgang notwendig. Außerdem müssen Funktionsstellen, z.B. Befestigungsteile, die sich nicht im Formpressverfahren herstellen lassen, eigens angeschweißt werden.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man einen 1000 bis 2000 mm langen und 300 bis 1000 mm breiten, vorzugsweise rechtwinkligen Zuschnitt A aus einem flächigen Halbzeug aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Gehalt von 35 bis 80 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an gleichmäßig verteilten Luftporen von 20 bis 80 Vol.% auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt, in eine zweiteilige Form einlegt, verpresst und dabei verformt, wobei man einen oder mehrere Streifen B aus Polypropylen mit einem Gehalt an 0 bis 60 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an Luftporen von weniger als 5 Vol.%, die auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt wurden, am Rand des Zuschnitts mit einer Überlappung, die im Mittel von 5 bis 50 mm beträgt, bei einem Druck von 100 bis 250 bar mitverpresst, wobei die Streifen in den Randbereich der Form fließen.
Nach DE 10 2005 029 729 A1wird zur Herstellung von Formteilen ein poröses Mischfaservlies, z.B. aus Glasfasern und Polypropylenfasern, in einem zweiteiligen Werkzeug so verpresst, dass im Innenbereich die Porosität des Vlieses weitgehend erhalten bleibt, während am Rand und teilweise auch im Innenbereich dort, wo zwischen Matrize und Patrize nur ein geringer Abstand besteht, hoch verdichtete Stellen entstehen.
Aus DE 696 20 047 T2 ist eine schallabsorbierende Komponente bekannt, die ein expandiertes Teil umfassend ein faserverstärktes, thermoplastisches Harz mit einem Porenanteil von mindestens 50 Vol.% und ein schmelzgeformtes Teil umfasst, wobei das faserverstärkte Teil unter Druck mit wenigstens einem Teilbereich des schmelzgeformten Teils verschmolzen ist.
Die WO 2006/133586 A1 betrifft eine biegefeste Verbundplatte mit einer oder zwei Deckschichten A aus glasfaserverstärktem Polypropylen mit einem Gehalt an Luftporen von weniger als 5 Vol.% und einer Kernschicht aus glasfaserverstärktem Polypropylen mit einem Gehalt an Luftporen von 20 bis 80 Vol.%.
Luftporenhaltige Halbzeuge sind bekannt und als Bahnen oder Platten einer Breite von vorzugsweise 300 bis 2300 mm im Handel erhältlich, z.B. SYMALITE® der Quadrant Plastic Composites AG, SEEBERLITE® der Röchling Automotive AG, ACOUSTIMAX® der Owens Corning Corp., SUPERLITE® der Azdel Inc. und unter der Bezeichnung KARAMTEC von der Karam Tech Co.
Diese Halbzeuge sind vor der Expansion im allgemeinen 0,5 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 5 mm dick. Sie bestehen aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, 2.16kg) von 12 bis 200, vorzugsweise 15 bis 75 g/10min und enthalten 35 bis 80, vorzugsweise 40 bis 70 Gew.% Verstärkungsfasern, die vorzugsweise vernadelt sind. Als Verstärkungsfasern kommen vor allem Glasfasern in Frage, daneben solche aus Kohlenstoff, Basalt, Polyester oder andere hochfeste synthetische Fasern. Auch Naturfasern sind geeignet, z.B. aus Jute, Flachs, Hanf, Sisal, Kenaf oder Baumwolle. Die Fasern weisen im Allgemeinen eine mittlere Länge (Gewichtsmittel) von 10 bis 100, vorzugsweise von 20 bis 50 mm auf. Das Halbzeug hat vor der Expansion einen Luftporengehalt von 20 bis 80, vorzugsweise von 35 bis 70 Vol.%. Beim Erwärmen auf Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens expandiert das Halbzeug aufgrund der Rückstellkräfte der Fasern auf mehr als das doppelte, vorzugsweise auf das drei- bis zehnfache seiner ursprünglichen Dicke.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Formteilen wird ein Zuschnitt A aus dem beschriebenen Halbzeug in eine zweiteilige Form eingelegt. Dazu wird zunächst aus einer Halbzeugbahn oder -platte ein rechtwinkliger Zuschnitt, der 1000 bis 2000 mm lang und 300 bis 1000 mm breit ist und vorzugsweise etwa die Dimensionen des Formteils aufweist, herausgeschnitten und in die Form eingelegt. Erfindungsgemäß werden dann einer oder mehrere Streifen B aus Polypropylen mit einem Gehalt von 0 bis 60 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an Luftporen von weniger als 5 Vol.%, vorzugsweise von weniger als 1 Vol.%, die ebenfalls auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt wurden, am Rand des Zuschnitts überlappend mitverpresst. Dabei soll mindesten 30%, vorzugsweise mindestens 60% und insbesondere 100% des Randes des Zuschnitts A von den Streifen B überlappt sein und die Überlappung soll im Mittel 5 bis 50 mm betragen.
Als Streifen B kommt vorzugsweise ein flächiges GMT-Halbzeug in Frage, das aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, 2.16kg) 2,16kg) von 20 bis 500, insbesondere von 80 bis 200 g/10min besteht, welches 20 bis 60 Gew.% vernadelte, ungerichtete Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glasfasern mit einer mittleren Länge (Gewichtsmittel) von 5 bis 50, insbesondere 10 bis 40 mm, und vorzugsweise überhaupt keine Luftporen enthält. Die Streifen B sind im allgemeinen 0,5 bis 8 mm, vorzugsweise 1 bis 5 mm dick und 20 bis 100, vorzugsweise 50 bis 80 mm breit. Sie können aus handelsüblichen GMT-Platten herausgeschnitten werden. Vor dem Verpressen werden sie überlappend entweder auf oder vorzugsweise unter den Rand des Zuschnitts A in die Form eingelegt. Beim Erwärmen über den Erweichungspunkt des Polypropylens expandiert auch das GMT-Halbzeug.
Als Streifen B können auch solche aus LFT-Halbzeug eingesetzt werden. LFT-Halbzeug besteht aus Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, ) von 20 bis 500, vorzugsweise von 80 bis 200 g/10min und 20 bis 60 Gew.% unvernadelten Glasfasern einer mittleren Länge (Gewichtsmittel) von 2 bis 30 mm. Es wird hergestellt durch Vermischen von Polypropylen und Endlos-Glasfasern oder Schnittglasfasern auf einem Zweiwellenextruder, wobei die Glasfasern je nach Scherwirkung der Extruderschnecken auf die gewünschte Länge verkürzt werden. Die Mischung wird je nach Düsenquerschnitt entweder als Schmelzestrang oder als Schmelzebahn aus dem Extruder ausgepresst. Der ausgepresste Strang bzw. die Bahn werden auf einem Transportband abgelegt, auf die gewünschte Länge geschnitten, falls erforderlich wieder erwärmt und auf oder vorzugsweise unter den Rand des Zuschnitts A in die Form eingelegt.
In beiden Fällen werden der Zuschnitt A und die Streifen B außerhalb der Form auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens, vorzugsweise auf 180 bis 220 °C erwärmt, wobei sowohl der Zuschnitt als auch die Streifen expandieren. Sie werden dann in die Form, bestehend aus Matrize und Patrize, eingelegt. Diese weist vorzugsweise im Bereich der Überlappung eine „Klemm- und Dichtstelle“ in Form eines umlaufenden Stegs auf, der verhindern soll, dass das erweichte, fließfähige GMT- bzw. LFT-Material durch seinen hohen Druck in die Zone des luftporenhaltigen Zuschnitts fließt. Außerdem ist im Bereich des Streifens der Abstand zwischen Matrize und Patrize verhältnismäßig gering, so dass beim Verpressen sich hier ein recht hoher Druck, z.B. von 100 bis 250 bar, aufbaut, während im Bereich des Zuschnitts der Abstand viel größer ist, so dass dort nur ein Druck von z.B. 2 bis 5 bar herrscht.
Beim Erwärmen wird das GMT- bzw. LFT-Material aufgrund des relativ hohen Schmelzindex des Polypropylens schmelzflüssig, während der luftporenhaltige Zuschnitt lediglich erweicht, weil hier das Polypropylen meist einen geringeren Schmelzindex hat und der Pressdruck in diesem Bereich viel niedriger ist. Beim Verpressen, welches im allgemeinen 10 bis 100, vorzugsweise 15 bis 60 sec dauert, wird daher der Zuschnitt A nur auf die Konturen der Form in z-Richtung drapiert und behält einen Luftporengehalt von z.B. 10 bis 80 Vol%, während die Streifen B aufgrund des hohen Drucks in die Randbereiche der Form fließen und vollständig zusammengepresst werden. Auf diese Weise können auch seitliche Ausnehmungen in der Matrize ausgefüllt werden, so dass Ausbuchtungen, Seitenansätze und Funktionsstellen an dem Formteil ausgebildet werden können, z.B. Befestigungsklipse, Laschen, Hülsen und andere Inserts.
Die 1a und 1b zeigen schematisch und nicht maßstäblich einen Schnitt durch die Form, bestehend aus Matrize 1 mit Ausnehmungen 2, Steg 3 und Patrize 4 (nur in 1b dargestellt), sowie einem Zuschnitt 6 und einem Streifen 5, einmal in geöffnetem und einmal in geschlossenem Zustand. Im gezeigten Beispiel ist die Matrize mit einem Führungsrand 7 versehen, der eine Auflagefläche 8 für die Patrize 4 umgibt.
2 zeigt eine Aufsicht auf die geöffnete Form, in der auf die Matrize 1 mit Ausnehmungen 2 für Ausbuchtungen und Laschen der Zuschnitt 6 und vier Streifen 5, 5a, 5b, 5c überlappend aufgelegt sind. Beim Absenken der Patrize 4 in z-Richtung werden die Streifen 5, 5a, 5b, 5c und der Zuschnitt 6 in einem Überlappungsbereich 9 in der Umgebung des Stegs 3 miteinander verpresst.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Streifen B durch Spritzgießen hergestellt, wodurch sich auch komplexere Strukturen herstellen lassen. Dabei werden beispielsweise Wendeplattenwerkzeuge eingesetzt, wie dies in der Spritzgießtechnik zur Herstellung von Bauteilen aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Polymeren üblich ist.
In einem ersten Verfahrensschritt wird mit einem rechtwinkligen Zuschnitt der Bereich des Bauteils hergestellt, der aus dem porenhaltigen Verbundwerkstoff bestehen soll. Dieser erste Schritt entspricht der üblichen Verarbeitung im Formpressverfahren.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird dann der Restbereich des Bauteils spritzgegossen, wobei die Außenkonturen hergestellt werden und komplexe Funktionsstellen integriert werden können. Die Bereiche, die durch Spritzgießen gefüllt werden, können durch eine entsprechende Schiebervorrichtung im Werkzeug nach der Pressstufe freigestellt werden, oder es kommt eine zweite Werkzeughälfte nach dem Wenden des Werkzeugs zum Einsatz. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit kann auch diese Technologie mit Mehrfachkavitäten (mehr als ein Bauteil pro Werkzeug) umgesetzt werden.
Die Streifen B können bei dieser Ausführungsform aus Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, 2.16kg) von 20 bis 400, vorzugsweise 80 bis 200 g/10min bestehen, das mit 0 bis 60, vorzugsweise 20 bis 50 Gew.%, bezogen auf die Mischung, Glasfasern einer mittleren Länge (Gewichtsmittel) von 0,01 bis 10 mm, vorzugsweise 0,1 bis 3 mm abgemischt sein kann.
Unverstärktes oder Verstärkungsfasern enthaltendes Polypropylen kann in Form von Granulat eingesetzt und aufgeschmolzen werden, oder das Polymere und die Fasern werden direkt vor Ort auf handelsüblichen Compoundern abgemischt und aufgeschmolzen, wodurch die Wirtschaftlichkeit weiter erhöht wird.
Die erfindungsgemäß hergestellten Formteile zeichnen sich durch ihr relativ geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit und Weiterreissfestigkeit und durch gute Geräuschdämpfung aus, sowie durch die Möglichkeit, sehr große Bauteile wirtschaftlich zu fertigen. Sie können als Außen- und Innenteile im Automobilbereich, z.B. als Dachhimmel, Unterbodenverkleidung, Kofferraumabdeckung und Hutablagen verwendet werden, ferner als Holzersatz, z.B. im Bauwesen und in der Möbelindustrie.
Beispiel
Ein Zuschnitt aus Polypropylen mit einem MFI von 25 g/10min, einem Gehalt an Glasfasern einer mittleren Länge von 50 mm und einem Luftporengehalt von 55 Vol.% mit den Abmessungen 350 x 1800 x 2.5 mm, sowie vier Streifen aus GMT-Halbzeug mit einer Dicke von 3,8 mm, einer Breite von 60 mm, wobei zwei Streifen 1770 mm und zwei Streifen 60 mm lang sind, werden jeweils auf 210 °C erwärmt. Dabei expandieren die GMT-Streifen auf eine Dicke von 8 mm und der Zuschnitt auf eine Dicke von 12 mm.
Auf eine Matrize mit den Außenmaßen 2000 x 500 mm und einem innen umlaufenden Steg von 8 mm Breite werden an die Innenkante anliegend und auf dem Steg aufliegend die Streifen abgelegt. Darauf wird der Zuschnitt so gelegt, dass Streifen und Zuschnitt sich um 10 mm überlappen (siehe 1a).
Die Form wird durch Auflegen der Patrize geschlossen, wobei der Abstand zwischen Patrize und Matrize im Bereich des Zuschnitts 4 mm und im Bereich der Streifen 1,5 mm beträgt. Schließlich wird die etwa 40 °C kalte Form 45 sec lang mit Druck beaufschlagt. Die GMT-Streifen werden dabei auf eine Dicke von 1,5 mm und der Zuschnitt auf 4 mm verpresst, wobei sich beide an der Überlappungsstelle verbinden (siehe 1b). Das Fertigteil weist im Mittelbereich einen Luftporengehalt von 65 Vol.% auf.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus faserverstärktem Polypropylen, wobei man einen 1000 bis 2000 mm langen und 300 bis 1000 mm breiten Zuschnitt A aus einem flächigen Halbzeug aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Gehalt von 35 bis 80 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an gleichmäßig verteilten Luftporen von 20 bis 80 Vol.% auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt, in eine zweiteilige Form einlegt, verpresst und dabei verformt, dadurch gekennzeichnet, dass man einen oder mehrere 20 bis 100 mm breite Streifen B aus Polypropylen mit einem Gehalt von 0 bis 60 Gew.% Verstärkungsfasern und einem Gehalt an Luftporen von weniger als 5 Vol.%, die auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens erwärmt wurden, am Rand des Zuschnitts mit einer Überlappung, die im Mittel von 5 bis 50 mm beträgt, bei einem Druck von 100 bis 250 bar mitverpresst, wobei die Streifen B in den Randbereich der Form fließen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 30 %, vorzugsweise mindestens 60 % und insbesondere 100 % des Randes des Zuschnitts A von den Streifen B überlappt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug des Zuschnitts A aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, 2.16kg) von 12 bis 200 g/10min und 40 bis 70 Gew.% Glasfasern einer mittleren Länge von 10 bis 100 mm besteht und 0,5 bis 10 mm dick ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen B aus einem flächigen GMT-Halbzeug aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, 2.16kg) von 20 bis 500 g/10min, und 20 bis 60 Gew. % ungerichteten, vernadelten Glasfasern einer mittleren Länge von 5 bis 50 mm bestehen, und 0,5 bis 5 mm dick sind, welche vor dem Verpressen überlappend auf oder unter den Zuschnitt A gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen B aus LFT-Halbzeug aus faserverstärktem Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, 2.16kg) von 20 bis 500 g/10min, und 20 bis 60 Gew.% unvernadelten Glasfasern einer mittleren Länge von 2 bis 30 mm bestehen, welche als extrudierter Strang oder als Bahn vor dem Verpressen überlappend auf oder unter den Zuschnitt A gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass man einen 0,5 bis 10 mm dicken, rechtwinkligen Zuschnitt A und die Streifen B außerhalb der Form auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Polypropylens, vorzugsweise auf 180 bis 220 °C erwärmt, wobei der Zuschnitt und die Streifen auf mehr als das Doppelte ihrer Dicke expandieren, den Zuschnitt und die Streifen in die Form einlegt und 15 bis 60 sec lang verpresst, wobei der Zuschnitt A lediglich auf die Konturen der Form drapiert wird und noch einen Luftporengehalt von 10 bis 80 Vol.% behält, die Streifen B aber in die Randbereiche der Form fließen und vollständig zusammengepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen B aus Polypropylen mit einem Schmelzindex MFI (230°C, 2,16kg) von 20 bis 400 g/10min und 0 bis 60 Gew.% Glasfasern einer mittleren Länge von 0,01 bis 10 mm bestehen, welche bei geschlossener Form, in welcher der Zuschnitt A bereits eingelegt ist, als Schmelze an den Rand des Zuschnitts eingespritzt werden.