DE3586913T2

DE3586913T2 - Faserverstaerkter plastischer verbundwerkstoff.

Info

Publication number: DE3586913T2
Application number: DE8585300035T
Authority: DE
Inventors: Bronislaw Radvan; Andrew Till
Original assignee: Wiggins Teape Group Ltd
Current assignee: Wiggins Teape Group Ltd
Priority date: 1984-01-06
Filing date: 1985-01-03
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2005-01-04
Also published as: AU567386B2; ATE83704T1; FI850046A0; FI83743C; PT79805A; US4690860A; IE843326L; CA1238166A; DE3586913D1; GR850027B; ES8606072A1; ES539358A0; JPS60158229A; FI850046L; IE58910B1; NO850044L; ZA8573B; FI83743B; DK7185A; AU3731085A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf faserverstärkte Kunststoffe zur Verwendung bei der Produktion von Kunststofformteilen. Im einzelnen bezieht sie sich auf Kunststoffe, welche sowohl aushaltende als auch thermoplastische Komponenten in einer Weise beinhalten, daß die Vorteile beider maximiert werden.
Aushärtende Kunststoffe werden dem Former üblicherweise als Flüssigkeit oder in Form eines Pulvers, welches bei Hitze erweicht, zugeführt. Sie können zur Imprägnierung eines Verstärkungsgewebes verwendet werden oder mit kurzen Verstärkungsfasern oder Füllern vermischt werden. Wenn sie in die gewünschte Form gebracht und auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wurden, unterliegen die aushärtenden Kunststoffe einer irreversiblen chemischen Veränderung und verfestigen sich in der gebildeten Form. Das sich daraus ergebende Formteil weist im allgemeinen gute Steifigkeit und Festigkeit auf und im besonderen gute Hitzefestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber langer mechanischer Belastung.
Weil jedoch der Aushärtungsvorgang irreversibel ist, können Ausschußteile nicht ausgemustert und wiederverwertet werden. Sie neigen außerdem dazu, relativ brüchig zu sein. Von größerer Bedeutung ist jedoch, daß das Formungsverfahren viel Zeit, in der Größenordnung von einigen Minuten beansprucht, weil die Form so lange geschlossen gehalten werden muß, bis der Nachbehandlungsvorgang zu Ende ist. Insbesondere aus diesem Grunde sind aushärtende Kunststoffe nicht zur Anwendung in modernen Hochgeschwindigkeitsproduktionstechniken geeignet. Demzufolge und trotz der Vorteile, welche die aus aushärtenden Kunststoffen geformten Produkte aufweisen, werden sie durch thermoplastische Kunststoffe ersetzt.
Beispiele für aushärtende Kunststoffe sind Phenol- Formaldehydharz, Harnstoff und Melamin-Formaldehydharze, Epoxyharze, ungesättigte Polyester und Polyurethane.
Die Thermoplasten sind üblicherweise in Granulat oder Partikelform oder als Tafelmaterial erhältlich. Sie erweichen bei Erhitzung und können gepreßt, geformt, extrudiert oder in eine gewünschte Form gegossen werden, in welcher sie sich während des Abkühlens verfestigen. Die Erweichungs- und Aushärtevorgänge erfolgen relativ schnell, so daß das Produkt in Sekunden anstelle von Minuten geformt, durch Abkühlung ausgehärtet und aus der Form geworfen werden kann. Füller und Verstärkungsmaterialien können darin eingeschlossen sein. Wenn das thermoplastische Material in Tafelform vorliegt, erfolgt die Verstärkung in Form von Gewebe oder Fasermatten und im Falle von Granulat- oder Partikelform in Form von kurzen Fasern. Produkte, welche aus thermoplastischen Materialien geformt wurden, sind häufig leichter und robuster als Produkte, welche aus aushärtendem Material erzeugt wurden. Ihre Steifigkeit ist jedoch, insbesondere im Falle langer mechanischer Belastung, geringer. Ihre Hitzebeständigkeit ist selbstverständlich gering.
Beispiele für Thermoplasten sind die Polyolefine, Polystyrole, Polyamide, Polyvinylchloride und gesättigte Polyester sowie Mischungen aus diesen Materialien.
Es wurden Versuche unternommen, thermoplastische und aushärtende Materialien in einem einzelnen Produkt derart zu kombinieren, daß zumindest einige der technischen Vorteile jedes Materials erhalten werden. So wird beispielsweise bei der Herstellung eines Produkts wie einer Badewanne ein anfängliches Formteil aus einer thermoplastischen Tafel schnell durch Heizen und Vakuumformen gebildet. Nach der Beschichtung und Entfernung aus der Form wird die Außenseite des abgekühlten Formteils dann mit flüssigen, aushärtendem Polyesterharz beschichtet, welches mit kurzen Glasfasern verstärkt ist und dann unter Beibehaltung seiner Form langsam aushärten kann. Dies hat den Vorteil, daß lange Verweilzeiten in der Form vermieden werden, jedoch entstehen im Endprodukt bei dessen Gebrauch Defekte, welche auf ungenügende Adhäsion zwischen den beiden Materialien zurückzuführen sind. Diese ergibt sich aus verschiedener thermischer Expansion, was zu Verzug und Delaminierung führt.
Die US-A-3 865 661 beschreibt ein Konzept der Kombination von Glasfasermatten mit einer oder mehreren Schichten thermoplastischen Materials und deren Verfestigung bei Hitze und Druck, das Nachlassen des Drucks um die Expansion der Struktur zu ermöglichen und die darauf folgende Beschichtung mit einem aushärtendem Harz.
Zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gehört ein Verfahren der Kombination von thermoplastischen und aushärtenden Materialien derart, daß aus der sich ergebenden Zusammensetzung geformte Produkte mindestens einige der Nachteile bekannter Verfahren nicht aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur folgende Schritte auf:
Die Bildung einer geschäumten, wäßrigen Dispersion aus
- 20 bis 60 Gew.-% einzelner Verstärkungsfasern mit einem Elastizitätsmodul von über 1000 Megapascal und einer Länge zwischen 7 und 50 mm,
- 40 bis 80 Gew.-% unverfestigtes, partikelförmiges, thermoplastisches Material,
Trocknung der Dispersion auf einen, porösen Träger zur Bildung einer im wesentlichen homogenen Faserstofflage gleichförmig verteilter Verstärkungsfasern mit Thermoplastpartikeln in deren Zwischenräumen,
Behandlung der Faserstofflage mit Hitze und Druck zur Bildung einer geschmolzenen Matrix aus Thermoplast mit darin dispergierten, gespannten Verstärkungsfasern,
entweder
- Beendigung der Druckbehandlung der heißen Matrix oder
- Verfestigung der Matrix zu einer Tafel durch Abkühlen und darauffolgendes Wiedererhitzen der Tafel in einen geschmolzenen Zustand um den Abbau der Spannungen in den Fasern zu ermöglichen, wodurch die Matrix oder die Tafel expandiert und porös wird,
Bedecken von mindestens der Oberfläche der Faserstofflage mit aushärtbarem Harz und
Aushärten des aushärtbaren Harzes.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf Tafeln oder Produkte, welche aus einer derartigen Kunststoffstruktur, bei der das aushärtbare Kunststoffmaterial ausgehärtet wurde, gebildet wurden.
Die poröse Matrix kann auf verschiedene Arten gebildet werden. So können beispielsweise die Fasern und Kunststoffkomponenten in einer luftdurchlässigen Struktur verklebt werden, wie es in der ebenfalls anhängigen, am 03. Januar 1985 eingereichten europäischen Patentanmeldung Nr. 85 300 031.3 beschrieben ist oder sie kann aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet werden, welches durch Erhitzen und Abkühlen unter Druck verfestigt und dann wieder erhitzt wurde, um es infolge der Federkraft der Fasern wieder auszudehnen und die Tafel porös zu machen, wie es in der ebenfalls anhängigen, am 03. Januar 1985 eingereichten europäischen Patentanmeldung Nr. 85 300 034.7 beschrieben ist.
Die faserverstärkte Kunststoffstruktur der Erfindung bietet sowohl die schnelle Verformbarkeit des Thermoplastmaterials als auch die besseren Eigenschaften des aushärtenden Materials hinsichtlich mechanischer Belastbarkeit und Hitzebeständigkeit. Weil beide Materialien eng miteinander verbunden sind, ist eine Trennung derselben praktisch unmöglich. Außerdem ist das Risiko der Verwindung und Trennung infolge verschiedener thermischer Expansion gering.
Die Matrix kann vollständig mit aushärtendem flüssigem Kunststoffmaterial imprägniert oder umhüllt sein, wobei in diesem Fall daraus geformte Produkte relativ dicht sind. Es können auch nur die Oberflächenschichten der Matrix, beispielsweise durch Beschichtung, imprägniert sein. Dies ergibt ein leichteres Produkt, welches jedoch eine ausreichende Erhöhung der Steifigkeit aufweisen kann, verglichen mit der nichtimprägnierten Matrix und eine versiegelte Oberfläche aufweist, welche das Eindringen anderer Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl in den expandierten Zentralbereich verhindert.
Ein Überschuß an flüssigem aushärtbarem Material kann auch auf die Oberfläche gebracht werden, wenn das zu formende Produkt ein sehr glattes, glänzendes Aussehen haben soll. Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn das geformte Produkt als Ersatz für ein ursprünglich aus Metallblech geformtes Produkt dienen soll. Derartige Oberflächen sind mit herkömmlichen faserverstärkten Materialien schwer zu erzeugen.
Ein bei geringer Temperatur aushärtendes flüssiges Harz kann zur Imprägnierung der Matrix verwendet werden, welche dann gelagert wird, um das langsame Aushärten des Harzes bei Raumtemperatur zu ermöglichen oder zumindest bei einer Temperatur, welche erheblich unterhalb des Erweichungspunkts des Thermoplastmaterials liegt. Alternativ hierzu kann die poröse Matrix anfänglich mit einem relativ langsam aushärtenden Harz imprägniert werden. Sie wird dann schnell auf die Verformungstemperatur der Thermoplastkomponente erhitzt, in ein Preßwerkzeug gebracht und zu der gewünschten Form verpreßt, bevor das Aushärten der aushärtbaren Komponente beendet ist.
Bei einer weiteren Variante wird eine dünne, poröse, faserverstärkte Thermoplastmatrix vollständig mit dem aushärtbaren Harz imprägniert, auf die Verformungstemperatur des Thermoplastmaterials erhitzt, mit einer oder mehreren heißen nichtimprägnierten Tafeln laminiert und dann in einer heißen Presse geformt. In einer Alternative zu diesem Verfahren wird auf die andere Seite der nichtimprägnierten Tafeln eine weitere imprägnierte Tafel hinzugefügt, wobei erstere in dem so geformten Produkt einen nichtimprägnierten Kernbereich bilden.
Die Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben werden. Darin zeigen:
Fig. 1a einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer faserverstärkten Kunststoffstruktur gemäß der Erfindung,
Fig. 1b einen Querschnitt durch ein Kunststofformteil, welches aus einer Struktur gemäß Fig. 1a hergestellt wurde
Fig. 2a einen Querschnitt durch eine verfestigte faserverstärkte thermoplastische Tafel,
Fig. 2b einen Querschnitt durch eine Zwischenstruktur, welche aus der Tafel gemäß Figur 2a hergestellt wurde
Fig. 2c eine faserverstärkte Kunststoffstruktur gemäß der Erfindung, welche aus der Struktur nach Fig. 2b hergestellt wurde und
Fig. 2d ein Kunststofformteil, welches aus der Struktur nach Fig. 2c hergestellt wurde.
Fig. 1a zeigt eine poröse, tafelartige Struktur 1, welche aus einer porösen Matrix aus Verstärkungsfasern 2 aus Glas und partikelförmigem Thermoplastmaterial 3 besteht, wobei die Matrix vollständig mit einem aushärtenden Harz 4 imprägniert ist. Wahlweise kann das aushärtende Harz 4 nur auf die Oberflächen der Matrix gebracht werden, so daß der Zentralbereich beim Aushärten frei von aushärtendem Material bleibt.
Die aus den Fasern 2 und den, partikelförmigen Thermoplastmaterial 3 bestehende Matrix kann beispielsweise gemäß des in der ebenfalls anhängigen, am 03. Januar 1985 eingereichten europaischen Patentanmeldung Nr. 85 300 031.3 beschriebenen Verfahrens hergestellt werden.
Fig. 1b zeigt ein Formteil 5, welches aus dem imprägnierten Tafelmaterial gemäß Figur 1a hergestellt wurde. Zur Herstellung eines Formteils wird die Tafel 1 anfänglich erhitzt, bis der Thermoplastanteil 3 plastisch wird. Die Tafel wird dann schnell in das Formwerkzeug gebracht und die Verformung durchgeführt, bevor das aushärtende Harz ausgehärtet ist. Nachdem die Verformungstemperatur ausreichend reduziert wurde, um die Thermoplastkomponente zu verfestigen, kann das Formteil aus dem Formwerkzeug entfernt werden, so daß das aushärtende Material bei einer kontrollierten Temperatur langsam aushärten kann.
Fig. 2a zeigt eine verfestigte Tafel 10, welche in einer festen Thermoplastmatrix 12 dispergierte Verstärkungsfasern 11 aus Glas beinhaltet. Weil die Tafel 10 durch die Anwendung von Hitze und Druck gebildet und dann unter Druck abgekühlt wurde, sind die Verstärkungsfasern in gespannten, Zustand innerhalb der festen Thermoplastmatrix eingefroren.
Fig. 2b zeigt die Tafel 10 nach der Erhitzung. Sobald der Thermoplastanteil 12 plastisch wird, legt es sich an die Fasern 11 an, welche aus ihrem eingefrorenen, angespannten Zustand relaxieren und damit die gesamte Struktur expandieren, wobei sich eine offene, poröse Matrix 13 bildet.
Fig. 2c zeigt die Matrix 13 aus Fig. 2b nach der Imprägnierung oder Beschichtung der Oberfläche mit dem aushärtenden Harz 14, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde. Die imprägnierte oder beschichtete Matrix 13 wird dann erhitzt und zu einem Formteil 15 verformt, was in Fig. 2d dargestellt und oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1a und 1b beschrieben ist.
Vorzugsweise sind die Fasern in der Tafel zwischen 7 und 50 mm lang, weil dadurch der freie Fluß der Fasern mit dem Thermoplastanteil der zusammengesetzten Tafel während des Verformungsprozesses ermöglicht wird.

Beispiel Nr. 1

Imprägnierung mit flüssigen, aushärtenden Harzen

Zusammen mit einem das Gesamtgewicht auf 100 Gew.-% ergänzenden Anteil an Glasverstärkungsfasern mit 12 min Länge und 11 um Durchmesser (Grad R18D von OCF Ltd.) wurde jedes der folgenden Thermoplastpulver in einem wässrigen Schaum dispergiert, aus welchem eine Faserstofflage gebildet und getrocknet wurde.

Matrix:

Probe 1: Polypropylenpulver (Grad PXG 81604) von IGT Ltd. - 52 Gewichtsprozent
Probe 2: Polyvinylchloridpulver (Grad Corvic S57/116) von ICI Ltd. - 72 Gewichtsprozent.
Probe 3: Acrylharzpulver (Grad Diakon LG 156) von ICI Ltd. - 70 Gewichtsprozent.
Die drei so erhaltenen Muster wurden in einer hydraulischen Presse zu flachen dichten Tafeln verfestigt, auf 190ºC (Polypropylen), 210ºC (Polyvinylchlorid) bzw. 200ºC (Acryl) erhitzt und zum Ende des Heizzyklus von etwa 5 Minuten Dauer einem Druck von 13,8-20,7 bar (200-300 psi) ausgesetzt. Die Presse wurde dann je nach Probe verschieden weit geöffnet, wodurch sich die Proben auf verschiedene Dicken und Dichten wieder expandierten und dann abkühlten.
Kontrollstücke der Proben 1, 2 und 3 wurden dann hinsichtlich Biegemodul und maximaler Zugfestigkeit untersucht, während der Rest in zwei Stücke zerteilt und durch schnelles Eintauchen in verschiedenen flüssigen aushärtenden Harzlösungen imprägniert wurde.
entweder: Phenol-Formaldehydharz (Grad MS 7814) von Ciba- Geigy
oder: Melamin-Formaldehydharz (Grad BL434) von B.I.P. Chemicals, gelöst in Wasser auf eine Konzentration von 50 Gewichtsprozent.
Die imprägnierten Proben wurden dann in einem Luftzirkulationsofen bei 100ºC für eine Dauer von etwa 1 Stunde getrocknet, abgekühlt, zur Bestimmung der Aufnahme festen Harzes abgewogen und dann in einer Flachpresse bei 170-200ºC ausgehärtet, entweder bei Kontaktdruck (zur Erzeugung von nur teilweise imprägniertem Material) oder bei einem Druck von 17,2 bar (250 psi), wobei die Aushärtung und Verfestigung in etwa 5 Minuten erzielt wurde. Danach wurden sie abgekühlt und wie oben beschrieben untersucht.
Die Ergebnisse sind in der beiliegenden Tabelle Nr. 1 zusammengefaßt. Sie zeigen, daß die Imprägnierung der expandierten Proben mit aushärtenden Harzen zu einer Zunahme an Stabilität und Steifigkeit führte; die Proben blieben auch am Ende des Trocknungszyklus ausreichend thermoplastisch, um sich vor dem Aushärten ausreichend verfestigen zu können.
Eine visuelle Überprüfung ergab, daß die Proben gleichmäßig und fein imprägniert waren und keine sichtbaren Grenzen zwischen thermoplastischen und den aushärtenden Bereichen aufwiesen.
Die Proben Nr. 1A und 4 der Tabelle wurden unter Verwendung des folgenden Verfahrens bei verschiedenen Temperaturen auch auf Härte untersucht. Ein Stück der Probe wurde auf einem Metallträger in einen Luftzirkulationsofen gegeben und die Temperatur auf 150ºC erhöht. Nach 5 Minuten wurde der Träger mit der Probe schnell aus dem Ofen genommen und die Härte der Probe mit Hilfe eines Shore D Instruments von Shore Instrument & Manufacturing Co. gemessen. Ein weiteres Stück der Probe wurde dann auf dem Träger in den Ofen gegeben und das Verfahren wurde bei verschiedenen höheren Temperaturen wiederholt. TABELLE NR. 1 - Beispiel Nr. 1 Experiment Probe Nr. Matrix Flächengewicht g/m² flüssiges Harz Typ Aufnahme in Gewichtsprozent Dicke mm vor der Imprägnierung am Ende Biegemodul MPa maximale Zugfestigkeit MPa Kontrolle keine Teilweise Imprägnierung vollständige Imprägnierung Verfestigung PP = Polypropylen PVC = Polyvinylchlorid ACR = Acryl PF = Phenol-Formaldehyd MF = Melamin-Formaldehyd
Die Testergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt: TABELLE NR. 2 - Beispiel Nr. 1 Beschreibung Temperatur ºC Härte Kontrolle = keine Imprägnierung Imprägniert mit Phenol-Formaldehydharz
Die Ergebnisse zeigen, daß das mit flüssigem aushärtendem Harz imprägnierte Material seine Härte über einen breiteren Temperaturbereich hält.
Darüberhinaus expandierte das Material bei Erreichen höherer Temperaturen nicht stärker bezüglich seiner Dicke, was auf die dämpfende Wirkung des aushärtenden Additivs zurückzuführen ist.

Beispiel Nr. 2

Imprägnierung mit flüssigen aushärtenden Harzen

(B) Formbarkeit

Eine Probe wurde wie die Proben 3 und 4 in Tabelle 1 aus Beispiel Nr. 1 hergestellt, jedoch mit folgendem Unterschied. Nach der Imprägnierung und dem Trocknen wurde die Probe in einem Luftzirkulationsofen bei 180ºC kurz vorgeheizt und dann schnell in ein Formwerkzeug innerhalb einer auf 180ºC aufgeheizten Kniehebelpresse gebracht. Die Presse wurde schnell auf einen Druck von etwa 250 psi und für eine Dauer von 5 Minuten geschlossen. Nach Öffnung der Presse wurde ein wohlgeformtes Produkt mit geringem Zug entnommen.

Beispiel Nr. 3

Imprägnierung mit flüssigen aushärtenden Harzen durch Übertragung aus einem thermoplastischen Film

(A) Physikalische Eigenschaften

Beim Umgang mit Harzen, welche zu schnell aushärten, um auf die Formtemperatur der Thermoplastmatrix vorgeheizt zu werden oder welche reichlich reizende oder entflammbare Dämpfe während eines solchen Vorheizvorgangs produzieren, werden die folgenden Änderungen des Verfahrens aus Beispiel Nr. 1 vorgenommen.
Proben, welche gemäß den Nummern 1, 2 und 3 in Tabelle 1 aus Beispiel Nr. 1 hergestellt wurden, wurden in einem Ofen für 5 Minuten bei 200ºC vorgeheizt oder so lange, bis sich ihre Dicke sichtbar vergrößerte und sie erweichten und auf Berührung nachgaben. In der Zwischenzeit wurden zwei Stücke Polycarbonatfilm (Grad Lexan) mit einem Flächengewicht von jeweils 300 g/m² und einer Dicke von 0.26 mm, hergestellt von General Electric Co. Europe Ltd. auf die ungefähre Größe der Probe zugeschnitten und flach auf einem Tisch ausgebreitet. Eine Menge ungesättigten Polyesterharzes (Grad Crystic 198), katalysiert mit Katalysatorpulver B, beide geliefert von Scott Bader Co. Ltd., wurde dann auf die Oberfläche jedes Stücks Film gegossen, was zwei dünne Lachen ergab.
Wenn die Probe ausreichend warm war, wurde sie schnell aus dem Ofen genommen und auf die Oberfläche der Lache auf dem ersten Stück Film gesetzt, worauf das flüssige Harz sofort in der porösen expandierten Oberfläche absorbiert wurde und dort als schwacher Klebstoff wirkte. Die andere Seite der Probe wurde dann auf die Oberfläche der Lache auf dem zweiten Stück Film plaziert, mit dem gleichen Ergebnis. Das Ganze wurde für eine Dauer von 10 bis 20 Sekunden in den Ofen zurückgestellt, d. h. bis die Filme sichtbar erweichten, jedoch nicht schmolzen und schrumpften. Die Probe wurde dann herausgenommen und zwischen die Platten einer hydraulischen Presse gesetzt, welche auf 120ºC vorgeheizt war und dann für 15 Minuten bei Kontaktdruck gehalten. Sie wurde aus der Presse entfernt, abgekühlt und untersucht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt: TABELLE NR. 3 - Beispiel Nr. 3 Probennummer Harzaufnahme in Gewichtsprozent Biegemodul MPa maximale Zugfestigkeit
Es sei angemerkt, daß zur Erleichterung des Einsatzes bei einer Großserienfertigung die Einzelheiten des beschriebenen Verfahrens veränderbar sind: beispielsweise kann ein teilweise geliertes oder hochviskoses Harz auf den Film geschichtet werden und der Film dann auf die heiße Probe gebracht werden, anstelle des umgekehrten Vorgehens.

Beispiel Nr. 4

Die Proben wurden, wie es in Beispiel Nr. 3 beschrieben wurde, unter Verwendung verschiedener Mengen flüssigen Harzes auf dem Film hergestellt. Nach der Wiedererhitzung im Ofen wurden sie in das Formwerkzeug aus Beispiel Nr. 2 innerhalb einer Kniehebelpresse gebracht und diese Presse für 30 Sekunden bei 130ºC bis zu einem Druck von etwa 17,2 bar (250 psi) geschlossen. Sie wurden dann entfernt, leicht in einer Klemme gehalten und für einen Zeitraum von 10 Minuten in einem Ofen bei 160ºC nachgehärtet. Es wurden wohlgeformte, unverbogene Produkte mit einer stark haftenden, glänzenden Filmoberfläche erzeugt.
In einer Variante dieses Verfahrens wurde eine relativ kleine Lache des flüssigen Harzes auf nur ein Stück Film gegossen und auf nur eine Seite der Probe gebracht. Die Probe wurde nach 30 Sekunden aus der Presse freigegeben und wie zuvor wurde ein glänzender, gut klebender Oberflächenfilm erhalten, jedoch nur auf einer Seite.
In einer anderen Variante dieses Verfahrens war der verwendete Film orientiertes Polypropylen, welches mit einem Trennmittel besprüht wurde, bevor die Lache darauf gegossen wurde. Nach der Formung und Härtung wurde der Film entfernt und legte dabei eine glatte, harte, nichtglänzende, teilweise ausgehärtete Oberfläche frei.

Beispiel Nr. 5

Beschichtung expandierter Proben in der Form mit flüssigen aushärtenden Harzen.

Eine Probe verstärkten Tafelmaterials mit einem Flächengewicht von 3000 g/m² wurde unter Verwendung des in Beispiel Nr. 2 beschriebenen Verfahrens mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
Polypropylenpulver (wie in Beispiel 2) 60 Gewichtsprozent
Glasfasern (wie in Beispiel 2) 40 Gewichtsprozent
Die Probe wurde in einem Luftzirkulationsofen bei 200ºC etwa 5 Minuten erwärmt, d. h. so lange, bis sich ihre Dicke sichtbar vergrößerte und sie weich und auf Berührung nachgiebig wurde. Das in Beispiel Nr. 2 beschriebene Werkzeug wurde in einer Kniehebelpresse auf 130ºC vorgeheizt. Eine zur Bedeckung des unteren Teils des Werkzeugs bis auf ein Flächengewicht von etwa 500 g/m² ausreichende Menge ungesättigten Polyesterharzes (wie in Beispiel Nr. 2) wurde in das untere Teil des Werkzeugs gegossen. Die heiße Probe wurde dann schnell aus dem Ofen in das Werkzeug gebracht, die Presse dann schnell auf einen Druck von etwa 17,2 bar (250 psi) geschlossen und für 10 Minuten geschlossen gehalten, d. h. so lange, bis das Harz ausreichend ausgehärtet war, um die Probe sauber freizugeben.
Die Probe wurde dann leicht in einer Klemme gehalten und in einem Ofen bei 140ºC so lange nachgehärtet, bis sie voll ausgehärtet war.
Das erhaltene Produkt war an seiner unteren Oberfläche gleichmäßig vom Harz durchdrungen, was eine harte und glatte ausgehärtete Oberfläche ergab. Ein Teil des Harzes drang auch zur anderen Seite des Produkts durch und ergab dort ähnliche Ergebnisse.
In einer Variante dieses Verfahrens bestand die Probe aus zwei Stücken mit Flächengewichten von 1500 g/m², welche wie zuvor durch Hitze zusammengebracht wurden, was eine zweilagige Tafel mit verschiedenen Zusammensetzungen der Lagen ergab:
Obere Schicht : 25 Gew.-% Glasfasern : 75% Polypropylen
Untere Schicht : 48 Gew.-% Glasfasern : 75% Polypropylen
Die untere Schicht war in ihrer Dicke erheblich stärker expandiert (wie man es aus der Lehre der am 03. Januar 1985 eingereichten und ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. 85 300 034 erwartet), während die obere Schicht nur eine sehr geringe Expansion aufwies.
Der obere Teil des Werkzeugs (in Kontakt mit der oberen Schicht) wurde derart modifiziert, daß er komplexere Details wie Rippen und Vorsprünge aufwies und in eine hydraulische Presse gebracht, welche über die Fläche des Produkts einen Druck von 103 bar (1500 psi) erzeugen konnte.
Nach der Freigabe erhielt man ein Produkt, dessen untere Oberfläche gleichmäßig imprägniert war und bei dem nur sehr wenig Harz zur oberen Oberfläche durchgedrungen war. Diese Seite reproduzierte jedoch exakt die Feinstruktur des Werkzeugs.
Es sei angemerkt, daß die Wahl der Aushärtungszeit vom Typ des für die Imprägnierung verwendeten Harzes abhängt und demzufolge wesentlich kürzere Zeiten erreichbar sind.
Die flüssigen Harze können nach Wunsch auch durch Harze in Pulverform ersetzt werden, welche für die Beschichtung in der Form bekannt sind.
In jedem Fall erlaubt die mikroporöse Struktur der heißen expandierten Tafel eine gleichmäßige und vollständige Durchdringung, stellt eine gute Haftung der Beschichtung sicher und verleiht dem Produkt Eigenschafien aushärtender Materialien.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundwerkstoffs, welches folgende Schritte beinhaltet:

Die Bildung einer geschäumten, wäßrigen Dispersion aus

- 20 bis 60 Gew.-% einzelner Verstärkungsfasern mit einem Elastizitätsmodul von über 1000 Megapascal und einer Länge zwischen 7 und 50 mm,

- 40 bis 80 Gew.-% unverfestigtes, partikelförmiges, thermoplastisches Material,

Trocknung der Dispersion auf einem porösen Träger zur Bildung einer im wesentlichen homogenen Faserstofflage gleichförmig verteilter Verstärkungsfasern mit Thermoplastpartikeln in deren Zwischenräumen,

Behandlung der Faserstofflage mit Hitze und Druck zur Bildung einer geschmolzenen Matrix aus Thermoplast mit darin dispergierten, gespannten Verstärkungsfasern,

entweder

- Beendigung der Druckbehandlung der heißen Matrix oder

- Verfestigung der Matrix zu einer Tafel durch Abkühlen und darauffolgendes Wiedererhitzen der Tafel in einen geschmolzenen Zustand um den Abbau der Spannungen in den Fasern zu ermöglichen, wodurch die Matrix, oder die Tafel expandiert und porös wird,

Bedecken von mindestens der Oberfläche der Faserstofflage mit aushärtbarem Harz und

Aushärten des aushärtbaren Harzes.

2. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach Anspruch 1, bei welchem die Matrix vollständig mit aushärtendem flüssigen Kunststoffmaterial imprägniert oder bedeckt wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach Anspruch 1, bei welchem nur die Oberflächenschichten der Matrix mit dem aushärtenden Kunststoffmaterial imprägniert werden.

4. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 3, bei welchem ein Überschuß an flüssigem aushärtendem Kunststoffmaterial auf die Oberfläche der Matrix gebracht wird, um ein glattes glänzendes Aussehen zu erzielen.

5. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 4, bei welchem ein bei geringer Temperatur aushärtendes flüssiges Harz zur Imprägnierung der Matrix verwendet wird, welche dann gelagert wird, um das langsame Aushärten des Harzes bei Raumtemperatur erheblich unterhalb des Erweichungspunkts des Thermoplastmaterials zu ermöglichen.

6. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die poröse Matrix anfänglich mit einem relativ langsam härtenden aushärtbarem Harz imprägniert wird, dann schnell auf die Verformungstemperatur der Thermoplastkomponente erhitzt wird, schnell in ein Preßwerkzeug gebracht und zu der gewünschten Form verpreßt wird, bevor das Aushärten der aushärtbaren Komponente beendet ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6, bei welchem eine dünne, poröse, faserverstärkte Thermoplastmatrix vollständig mit dem aushärtbaren Harz imprägniert, auf die Verformungstemperatur des Thermoplastmaterials erhitzt und mit einer oder mehreren heißen nichtimprägnierten Tafeln laminiert und dann in einer heißen Presse geformt wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach Anspruch 7, bei dem auf die andere Seite der nichtimprägnierten Tafeln eine weitere imprägnierte Tafel hinzugefügt wird, wobei erstere in dem so geformten Produkt einen nichtimprägnierten Kernbereich bilden.

9. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach Anspruch 1, bei welchem sich das aushärtbare Kunststoffmaterial auf einem Film oder auf einer Tafel befindet, welche(r) zur Matrix gebracht wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach Anspruch 9, bei welchem das aushärtende Kunststoffmaterial sich auf einem Film oder einer Tafel aus thermoplastischem Material befindet, welche zu der Matrix gebracht und dann erhitzt und gepreßt wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffverbundstruktur nach Anspruch 9, bei welchem der Film oder die Tafel, welche dann zu der heißen Matrix gebracht und gepreßt wird, mit einem teilweise gelierten oder hochviskosen Harz beschichtet ist.

12. Faserverstärkte Tafel oder Produkt, hergestellt durch ein Verfahren gemäß eines der voranstehenden Ansprüche.