DE4438764A1 - Verbundwerkstoff für die Automobilindustrie - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff für die Auto­ mobilindustrie mit mehrschichtigem Aufbau.

Vliesstoffe sind im Automobilbereich ein häufig verwendeter Kon­ struktionswerkstoff mit breitem Eigenschaftsspektrum. Beispiel­ weise wird Phenolharz-gebundenes Textilvlies seit langem unter anderem wegen seiner guten Dämpfungseigenschaften als Werkstoff für tragende und verkleidete Teile (rein oder als Verbundwerk­ stoff) in der Automobilindustrie im PKW- und LKW-Bau eingesetzt. Als kostengünstige Flachware diente dieses Produkt zunächst und ausschließlich Polsterzwecken. In jüngster Zeit stellte sich dieser Werkstoff jedoch in einer Reihe von Varianten dar, und ist vielseitig verwendbar. Formteile werden besonders bevorzugt.

Phenolharz-gebundenes Textilvlies ist in Rohdichten von 50 bis 1000 kg/cm³ bei Dicken von 5 bis 30 mm im Handel erhältlich. Es ist als sogenanntes Porenkomposit, bestehend aus drei Phasen (Baumwolle, gehärtetes Phenolharz und Luft) zu beschreiben - ein Konstruktionswerkstoff, dessen Eigenschaftsprofil in weiten Grenzen modifiziert werden kann. Baumwolle hat die Faserform, Phenolharz liegt punktförmig, auch netzflächig als eine Art Matrix vor.

Ebenfalls bekannt sind Holzfaservlieswerkstoffe als ein Holz­ werkstoff, zu dessen Herstellung man zerspantes und gehacktes Abfallholz mit Hilfe von Dampfdruck und Wärme zu einem Faserbrei verarbeitet. Dabei werden einige Cellulosebindungen aufgeschlos­ sen. Dem Brei mischt man üblicherweise geringe Mengen an Binde­ mittel aus Kunstharz (z. B. Phenol-, Alkyd-, Harnstoff-Harze), Flammschutzmittel, Schädlingsbekämpfungsmittel (gegen Insekten und Pilzbefall) und dergleichen bei, formt den Brei auf Formma­ schinen zu meist plattenförmigen Faserplatten und entwässert.

Derartige Holzfaservlieswerkstoffe werden als Dämmstoffe gegen Kälte, Wärme und Schall, als Zwischenwände, Tisch- und Fußboden­ beläge usw. auch lackiert und mit Kunstharzfilm beschichtet.

Im Verlauf des Herstellungsprozesses wird das Holz-Fasermaterial geformt, verdichtet und gepreßt. Hierbei wird primär die Ver­ filzung der Fasern und deren natürliche Bindekraft genutzt. Durch Zugabe von Binde- und Hydrophobierungsmitteln sowie durch thermische und andere Nachbehandlungen lassen sich die Binde­ kräfte erhöhen. So können die physikalischen und die Festig­ keitseigenschaften dem Verwendungszweck angepaßt werden.

Nach DIN 68 753 unterscheidet man bei Holzfaserwerkstoffen fol­ gende Arten:
harte Holzfaserplatten mit einer Rohdichte von mehr als 800 kg/m³,
mittelharte Holzfaserplatten mit einer Rohdichte von mehr als 350 kg/m³ bis 800 kg/m³ und
poröse Holzfaservlieswerkstoffe, auch Isolier- oder Dämmplatten genannt, mit einer Rohdichte von 250 bis 350 kg/m³.

Aus dem Derwent Abstract 90-168 964 und der damit korrespondie­ renden JP-A-0 211 15 03, sind Formkörper bekannt, die aus Holz­ fasern und Bindemitteln sowie Glasfasermatten in einem laminier­ ten Zustand bestehen. Der Formkörper wird für Innenauskleidungs­ teile von Automobilen und elektrischen Schaltschränken verwen­ det. Dem Material werden gute Dimensionsstabilität und verbes­ serte Festigkeit sowie akustische Absorptionseigenschaften zugeschrieben.

Das holzartige Formmaterial wird hergestellt durch Zugabe von 5 bis 30 Gew.-% eines phenolischen Bindemittels zur Bindung der holzartigen Fasern. Glasfasermatten werden dadurch erhalten, daß man diese ebenfalls mit einer Phenolharzlösung imprägniert und anschließend trocknet. Die Glasfasermatten werden dann auf einer porösen Platte plaziert und das holzartige Formmaterial auf die Matte aufgesprüht. Nachdem das holzartige Formmaterial die er­ wünschte Dicke erreicht hat, wird das Aufsprühen gestoppt und eine Platte aufgebracht, um ein Verbundmaterial zu erhalten. Dieses wird in einem Formwerkzeug unter Druck zu einem Kraft­ fahrzeughimmel-Grundmaterial geformt.

Aus der DE 32 33 385 A1 ist eine Mehrschichtfasermatte und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt.

Es wird eine speziell aufgebaute Mehrschichtfasermatte beschrie­ ben, die sich aus zwei Deckschichten aus Fasern mit hochwertiger Duroplastimprägnierung und einer Mittelschicht aus gegebenen­ falls kurzfasrigen Holzprodukten mit inbesondere preisgünstigen thermoplastischen Bindemittelzusätzen zusammensetzt, und die in diesem Aufbau und dieser Zusammensetzung besondere Verwendungs­ möglichkeiten für Formteile der Automobilindustrie bietet, und zwar sowohl für deren Herstellungprozeß als auch die Qualität des Endproduktes selbst.

Zur Herstellung von tragfähigen Verbundwerkstoffen im Automobil­ bereich haben sich mehrlagige verpreßte Baumwollvliese durch­ gesetzt, die jedoch aufgrund der hohen Dichte ein großes Gewicht und nur schlechte Schallabsorptionseigenschaften aufweisen. So ist es erforderlich, bis zu acht Lagen Baumwollvlies mit Flä­ chengewichten von jeweils 1 kg/m² einzusetzen, um eine tragfähgi­ ge Reserveradabdeckung eines Ladebodens eines PKW zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber in der Bereitstellung eines kostengünstigen und möglichst leichten Verbundwerkstoff für die Automobilindustrie, der darüber hinaus gute Schallabsorptionseigenschaften mit einer geeigneten Biege­ festigkeit bei möglichst geringem Gewicht und geringem Volumen miteinander kombiniert.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einer ersten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung gelöst durch einen Verbund­ werkstoff für die Automobilindustrie mit mehrschichtigem Aufbau einer Kernschicht aus porösem Holzfaservlieswerkstoff und wenig­ stens zwei Deckschichten aus Vliesstoff, wobei die Biegefestig­ keit der Kernschicht geringer ist als die Biegefestigkeit der jeweiligen Deckschichten.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial ist durch die besonderen Eigenschaften wie niedriges Gewicht bei gleicher Steifigkeit verpreßten Vliesen oder Kunststoffplatten aus bekannten Kunst­ stoffen wie Glasfaser-verstärktem Polypropylen, oder ähnlichen Materialien überlegen. Darüber hinaus sind auch die akustischen Eigenschaften, die sich aus der Porösität und dem Schichtaufbau des Materials ergeben, den Materialien des Standes der Technik deutlich überlegen. Weiterhin ist eine vergleichbare Akustik und ein entsprechendes Brandverhalten bei anderen Verbundwerkstoffen mit einem gleichen Preis-/Leistungsverhältnis nicht bekannt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Verbundwerkstoff aus einem dreischichtigen Aufbau, wobei die Kernschicht des porösen Holzfaservlieswerkstoffs mit zwei Deckschichten aus hart-verpreßtem Baumwollfaservlies lami­ niert ist.

Durch besondere Auswahl der Vliesstoffe kann die Akustik und die Festigkeit des Verbundwerkstoffs besonders gesteuert werden.

Besonders bevorzugte Materialien zur Herstellung des Vliesstof­ fes sind Glasfaser-verstärkte oder Glasgitter-verstärkte Faser­ materialien, inbesondere Bindemittel enthaltende Textilvliese, vorzugsweise solche, die aus einem Baumwollmischgewebe bestehen. Diese Vliese werden durch Pressen bei erhöhter Temperatur auf die gewünschte Festigkeit gebracht.

Die besonderen Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit dieser letztgenannten Produktgruppe erklären sich aus der chemischen und morphologischen Struktur der Baumwolle, sowie dem Duroplast­ charakter der ausgehärteten Phenolharze, die üblicherweise als Bindemittel der Baumwollmischgewebevliese eingesetzt werden. Weitere Einflußgrößen sind die Verformbarkeit, die Bügelfähig­ keit der Baumwolle, die statistische Bindepunkthäufigkeit und auch die Laminat- und/oder Mantelwirkung der längs von Fasern haftenden und so auch auskondensierten Bindemittelmoleküle.

Die Baumwolle übersteht den Fertigungsprozeß praktisch ohne Veränderung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaftsmerkmale. Sie verleiht dem Produkt besondere Qualitätsmerkmale wie Schall- Absorptionsfähigkeit, gute mechanische Festigkeitswerte, Schlag­ zähigkeit und Splitterfestigkeit in der Kälte.

Besonders bevorzugte Bindemittel für die Vliesstoffe sind ausge­ wählt aus Phenol-Formaldehyd-Harzen, Epoxidharzen, Polyesterhar­ zen, Polyamidharzen, Polypropylen, Polyethylen und/oder Ethylvi­ nylacetatcopolymeren. Phenolharze haben nach der Härtung die typischen Duroplasteigenschaften, die sich auf das Fertigprodukt übertragen. Das Textilvlies wird aus der Reißbaumwolle und dem pulvrigen Phenolharz üblicherweise auf trockenem Wege herge­ stellt. Die Aushärtung erfolgt entweder im Heizkanal oder über das ungehärtete Halbzeug als Zwischenstufe in der Presse. Für die Teile, die im Fahrzeugraum Verwendung finden sollen, wird ausgewähltes Textil eingesetzt.

Zur Erzielung einer hohen Biegefestigkeit sollte ein möglichst hoher Bindemittelanteil gewählt werden. Für den Fall jedoch, daß eine möglichst geringe Biegefestigkeit erreicht werden soll, ist es bevorzugt, einen möglichst geringen Anteil an Bindemittel einzustellen. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird daher der Bindemittelanteil der Deckschichten im Bereich von 10 bis 65 Vol. -%, insbesondere im Bereich von 10 bis 30 Vol%, bezogen auf die jeweilige Deckschicht eingestellt.

Die Dicke der Deckschichten und auch die Dicke der Kernschichten kann in Abhängigkeit vom Material praktisch beliebig eingestellt werden. Maßgebend sind hier die Vorgaben des Automobilherstel­ lers, so daß es insbesonders bevorzugt ist, die Dicke der Deck­ schichten jeweils im Bereich von 1 bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 1 bis 3 mm bei einem Flächengewicht von jeweils 1 bis 2 kg/m² einzustellen.

Die akustischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundwerk­ stoffes sind von besonderer Bedeutung. Dementsprechend ist es erforderlich, die Dichte der Deckschichten auf einen Bereich einzustellen, der eine akustische Wirksamkeit dieser Schichten in Abstimmung mit der Kernschicht ermöglicht. Bekanntermaßen sind die Eigenschaften der Akustik denen der Festigkeit gegen­ läufig. So sind besonders hart-verpreßte Faservliesmaterialien akustisch wenig wirksam. In gleicher Weise sind gute akustisch wirksame Faservliese durch eine geringe Festigkeit gekennzeich­ net. Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Kompromiß zwischen diesen Eigenschaften durch die besondere Stoffauswahl zu erzielen. Bei Flächengewichten im Bereich von 1 bis 2 kg/m² sind die akustischen Eigenschaften der Deckschichten ausreichend, während Materialien mit Flächenge­ wichten im Bereich von mehr als 3 kg/m² nur ungenügende akusti­ sche Eigenschaften aufweisen.

Die Kernschicht des porösen Holzfaservlieswerkstoffs besteht insbesondere aus Holzfasern oder Lignosecellulose-haltigem Fa­ sermaterial, die insbesondere durch Verfilzung der Fasern auf­ grund der natürlichen Bindekraft gebunden sind. Die Herstellung dieser Werkstoffe ist dem Fachmann aus der Papier- und Pappher­ stellung insbesondere als Naßverfahren bekannt. Hierbei ist es jedoch auch möglich, daß die poröse Holzfaservlieswerkstoff ebenfalls Bindemittel enthält, die im wesentlichen im Stand der Technik bekannt sind. Besonders bevorzugt sind diese ausgewählt aus Phenol-Formaldehyd-Harzen, Alkydharzen, Harnstoffharzen und Melaminharzen, die insbesondere in einer Menge von 1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf den Holzfaservlieswerkstoff eingesetzt werden können. Die Art und Menge der Bindemittel bestimmt auch hier vornehmlich die Biegefestigkeit, die darüberhinaus von der gewählten Faserlänge des Fasermaterials abhängig ist. Dement­ sprechend ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung erforder­ lich, die Art und Menge der Bindemittel derart zu wählen, daß die Biegefestigkeit der Kernschicht, d. h. des porösen Holzfa­ servlieswerkstoffs geringer ist, als die Biegefestigkeit der Deckschichten aus Vliesstoff. Dies wird insbesondere durch Ein­ satz eines porösen Holzfaservlieswerkstoffs mit einer Dichte von 200 bis 250 kg/m³ erreicht.

Wie bei den obengenannten Deckschichten spielt auch bei dem porösen Holzfaservlieswerkstoff die akustische Eigenschaft eine besondere Rolle. Auch hier sind die akustischen und Festigkeits­ eigenschaften gegenläufige Produkteigenschaften, die es erfor­ derlich machen, einen Kompromiß einzugehen. Bedingt durch die höhere Dichte der Holzfasern, weisen die porösen Holzfaservlies­ werkstoffe bereits ein höheres Flächengewicht auf. Jedoch ist die Elastizität dieses Werkstoffs gegenüber dem Material der Deckschichten verringert. Die guten akustischen Eigenschaften dieses Materials ergeben sich jedoch aus den Hohlräumen, die in dem Holzfaservlieswerkstoff in großer Zahl vorhanden sind.

Auch die Dicke des Holzfaservlieswerkstoffs kann praktisch be­ liebig eingestellt werden, wobei Dicken von 3 bis 40 mm, ins­ besondere 5 bis 30 mm bei einem Flächengewicht von 2 bis 5 kg/m² im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt werden.

Wenn im folgenden die relative Biegefestigkeit der Kernschicht und der Deckschichten erörtert wird, so ist diese jeweils dahin­ gehend zu verstehen, daß Biegefestigkeiten bei gleichen Schicht­ dicken von Kernschicht und Deckschicht miteinander verglichen werden. Dementsprechend ist es in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß die Biegefestigkeit der Kernschicht ein Viertel bis ein Zwölftel, insbesondere ein Zehntel, der Biegefestigkeit der Deckschichten beträgt.

Besonders bevorzugt ist ein poröser Holzfaservlieswerkstoff, der eine Biegefestigkeit gemessen nach DIN 53 423 von 1,2 bis 2,5 N/mm², insbesondere 2 N/mm², aufweist.

In gleicher Weise ist es besonders bevorzugt, daß die jeweiligen Deckschichten eine Biegefestigkeit gemessen nach DIN 53423 von 12 N/mm² bis 22 N/mm² aufweisen.

Zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften ist es im Sinne der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, den Holzfa­ servlieswerkstoff vor der Verbindung mit den Deckschichten zu perforieren. Hierbei wird zum einen die Zahl und Größe der Hohl­ räume vergrößert. Darüber hinaus findet auch eine bessere Ver­ bindung der Deckschichten mit der Kernschicht um die perforier­ ten Hohlräume herum statt, wenn das Material des Vliesstoffes sich in den Hohlräumen verkrallt. Weiterhin wird durch die Per­ foration das Gewicht der Kernschicht und damit des gesamten Verbundwerkstoffs gesenkt.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht im Verfahren zu Herstellung des oben definierten Verbundmateri­ als. Hierbei werden die Vliesstoffe als Deckschichten mit einer Kernschicht eines porösen Holzfaservlieswerkstoffs durch Einwir­ kung erhöhter Temperatur miteinander verpreßt. Besonders bevor­ zugt ist hierbei ein Temperaturbereich von 180 bis 250°C, gege­ benenfalls unter Einsatz von Schmelzklebern, Dispersionsklebern oder auch Zwei-Komponentenklebern, wodurch die Deckschichten mit der Kernschicht laminiert werden. Hierbei ist auch eine leichte Verformung des herzustellenden Gegenstands im Preßwerkzeug mög­ lich.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundmaterialien ist es möglich, die Biegefestigkeiten der Deckschichten jeweils unterschiedlich einzustellen. So ist es möglich, durch geeignete Verfahrensführung während des Pressens, insbesondere durch un­ terschiedliches Pressen der einzelnen Deckschichten, verschiede­ ne Biegefestigkeiten der Deckschichten zu erreichen. Dies läßt sich beispielsweise durch die Verwendung von Abstandshaltern oder durch das einseitige Anwenden von Preßluft während des Pressens ermöglichen.

Die erfindungsgemäßen Verbundmaterialien können so wie sie sind im Automobilbereich eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es aber auch im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt, diese mit Dekorschichten, beispielsweise Teppichbodenbelägen, zu ver­ sehen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in der besonderen Verwendung der oben definierten Verbundwerk­ stoffe im Automobilbereich. Besonders bevorzugt werden die er­ findungsgemäßen Verbundwerkstoffe zur akustischen Dämpfung in Bereichen Motorhaube, Stirnwand (beidseitig), Tunnel, Tür, Dach, Fußraum und dem Lüftungskanal, sowie als gegebenenfalls selbst­ tragende Basis für Innenauskleidungen für Armaturenabdeckungen, Tunnelverkleidungen, Türverkleidungen, Rücklehnenverkleidungen und Reserveradabdeckungen sowie für Teile mit Doppelfunktion als Dachhimmel, Hutablage, Füllstück, Kofferraummatte und Radhaus­ verkleidung eingesetzt.

Claims (17)

1. Verbundwerkstoff für die Automobilindustrie mit mehr­ schichtigem Aufbau einer Kernschicht aus porösem Holzfaservlieswerkstoff und wenigstens zwei Deck­ schichten aus Vliesstoff, wobei die Biegefestigkeit der Kernschicht geringer ist als die Biegefestigkeit der jeweiligen Deckschicht.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kernschicht mit den Deckschichten in einem dreischichtigen Aufbau laminiert ist.

3. Verbundverstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckschicht ein Vliesstoff aus einem Glasfaser-verstärkten oder Glasgitter-verstärk­ ten Fasermaterial, einem Bindemittel-enthaltenden Textilvlies, insbesondere einem Baumwollmischgewe­ bevlies besteht.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bindemittel des Vliesstoffs ausge­ wählt ist aus Phenol-Formaldehyd-Harz, Epoxidharz, Polyesterharz, Polyamidharz, Polypropylen, Polyethy­ len und/oder Ethylvinylacetatcopolymeren.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bindemittelanteil der Deck­ schicht(en) 10 bis 65 Vol.-%, insbesondere 10 bis 30 Vol.-%, bezogen auf die Deckschicht beträgt.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke der Deckschichten jeweils 1 bis 10 mm, insbesondere 1 bis 3 mm bei einem Flächen­ gewicht von jeweils 1 bis 2 kg/m², beträgt.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kernschicht aus Holzfaservlies oder Lignosecellulose-haltigem Fasermaterial besteht, die insbesondere durch Verfilzung der Fasern aufgrund der natürlichen Bindekraft gebunden sind.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der poröse Holzfaservlieswerkstoff geringe Mengen an Bindemittel enthält, die ausgewählt sind aus Phenol-Formaldehyd-Harzen, Alkydharzen, Harnstoff-Harzen und Melamin-Harzen, insbesondere in einer Menge von 1 bis 3 Gew.-% bezogen auf den Holz­ faservlieswerkstoff.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichte des porösen Holzfaservlies­ werkstoffs 200 bis 250 kg/m³ beträgt.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dicke des porösen Holzfaservlies­ werkstoffs 3 bis 40 mm, insbesondere 5 bis 10 mm bei einem Flächengewicht von 2 bis 5 kg/m², beträgt.

11. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Biegefestigkeit der Kernschicht ein Viertel bis ein Zwölftel, insbesondere ein Zehntel, der Biegefestigkeit der Deckschichten beträgt.

12. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Biegefestigkeit des porösen Holzfa­ servlieswerkstoffs gemessen nach der DIN 53 423 1,2 bis 2,5 N/mm², insbesondere 2 N/mm² beträgt.

13. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Biegefestigkeit der jeweiligen Deckschichten gemessen nach DIN 53 423 12 N/mm² bis 22 N/mm² beträgt.

14. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die jeweiligen Deckschichten und/oder die Kernschicht perforiert sind.

15. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens zwei Vliesstoffe als Deckschicht mit einer Kernschicht einem porösen Holzfaservlieswerkstoff durch Einwirkung erhöhter Temperatur miteinander laminiert.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur von 180 bis 250°C, inbesondere unter Verwendung von Schmelzklebern, Dispersionsklebern oder Zwei-Komponenten-Klebern laminiert.

17. Verwendung der Verbundwerkstoffe im Automobilbereich gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 zur akustischen Dämpfung in den Bereichen Motorhaube, Stirnwand (beidseitig), Tunnel, Tür, Dach, Fußraum und Lüftungskanal und als gegebenenfalls selbsttra­ gende Basis für Innenauskleidungen, insbesondere für Armaturenabdeckungen, Tunnelverkleidungen, Türver­ kleidungen, Rückenlehnenverkleidungen und Reserve­ radabdeckungen sowie als Teile mit Doppelfunktion insbesondere als Dachhimmel, Hutablage, Füllstück, Kofferraummatte oder Radhausverkleidung.